LED跑到外太空種菜去了

　　沒有什么不可能，地球都有另一半了，太空都能長(zhǎng)出蔬菜了。

　　8月10日，美航天局(NASA)正在國(guó)際空間站執(zhí)行任務(wù)的美國(guó)和日本宇航員品嘗了在太空種植的紫葉生菜，標(biāo)志該空間站蔬菜培育試驗(yàn)取得階段性成功。

　　“這是個(gè)人的一小口，卻是人類的一片大葉子”，美國(guó)航天局在官網(wǎng)上略帶調(diào)侃地評(píng)論說，“這讓我們距離飛向火星又近了一步”。

　　別以為這是夸大其詞。這顆小小的植物將會(huì)成為我們?nèi)祟愇磥淼年P(guān)鍵。如果像一些末日學(xué)家預(yù)言的那樣，我們最終將會(huì)耗盡地球的資源，使它變成一個(gè)難以生存的不毛之地，那么太空農(nóng)業(yè)將被證實(shí)對(duì)我們?nèi)祟惱^續(xù)幸存下來至關(guān)重要。

　　太空育種究竟如何完成?可看下圖解：

　　太空育種圖解

　　萬物生長(zhǎng)靠光照，即使是外太空也概莫能外。在太空環(huán)境中，植物的生長(zhǎng)同樣要靠光照。當(dāng)我們還在驚呼LED照明技術(shù)可以種菜的時(shí)候，LED照明已經(jīng)突破地球，跑到外太空種菜去了。

　　太空餐背后的LED照明系統(tǒng)

　　據(jù)悉，此次宇航員大呼“好吃”的紫葉生菜來自于軌道實(shí)驗(yàn)室植蔬生長(zhǎng)系統(tǒng)，正是通過LED照明系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)的。

　　太空上的植蔬生長(zhǎng)系統(tǒng)

　　生菜種植在一種特殊盒子里，生菜的種子被撒放在用于生根發(fā)芽的墊層上，墊層是由土壤和化肥組成的。每一個(gè)“蔬菜盒子”重大約七公斤，可以折疊，也可以拉伸。這種盒子還安裝了紅綠藍(lán)三色的LED燈來促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)。

　　這種LED燈是經(jīng)過紅和藍(lán)光組合，經(jīng)過設(shè)計(jì)，能發(fā)出比綠色LED燈還要多的光。同時(shí)加入綠色LED燈照射，中和紫光下，讓人覺得有點(diǎn)奇怪的樣貌，讓植物看起來更像能吃的東西。

　　使用LED燈栽培植物的概念可追溯至1990年代的NASA計(jì)劃。當(dāng)時(shí)的高級(jí)維生計(jì)劃由雷·韋勒(Ray Wheeler)博士帶領(lǐng)，在位于甘迺迪的探索研究及科技專案辦公室進(jìn)行研發(fā)。韋勒表示：“藍(lán)色和紅色的波長(zhǎng)是植物生長(zhǎng)的基本條件。它們應(yīng)該是以電力轉(zhuǎn)換成光能量而言最有效率的顏色。綠色LED則幫助強(qiáng)化人類對(duì)于植物的視覺效果，但其實(shí)發(fā)出的光并不像紅、藍(lán)燈那么多?！?/p>[NT:PAGE]

　　LED緣何上太空?

　　LED光源在植物照明方面的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)具體描述：

　　節(jié)能目前白光LED的電能轉(zhuǎn)化效率最高，已達(dá)到80%，而普通熒光燈僅為20%

　　環(huán)保LED沒有任何污染，并且發(fā)光顏色純正，不含紫外和紅外輻射成分

　　壽命長(zhǎng)LED壽命可達(dá)5萬小時(shí)以上，是熒光燈的5倍以上，是白熾燈的100倍

　　單色光可調(diào)控LED發(fā)出的光為單色光，能夠自由選擇紅外、紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色等發(fā)光光譜，按照不同植物的需要將它們組合利用，不僅節(jié)能，而且可提高植物對(duì)光能的吸收利用率

　　冷光源LED發(fā)出單色光，沒有紅外或遠(yuǎn)紅外的光譜成分，是一種冷光源，可以接近植物表面照射而不會(huì)出現(xiàn)葉片灼傷的現(xiàn)象，并且它的體積小，可以自由地設(shè)定光源板的形狀，極大提高了光源利用率和土地利用率，有利于形成多段式緊湊型的栽培模式，適用于密閉植物工廠的集約型生產(chǎn)模式

　　隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類進(jìn)行太空探索逐漸成為現(xiàn)實(shí)。基于空間環(huán)境的特殊要求，植物栽培使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出光譜與植物光合作用需求吻合、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無污染等特征。

　　由于LED具有光量可調(diào)整、光質(zhì)可調(diào)整、冷卻負(fù)荷低與允許提高單位面積栽培量等特點(diǎn)，因此對(duì)封閉有環(huán)控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境是一種非常適合的人工光源，近年來已經(jīng)成為太空農(nóng)業(yè)重要的人工光源。普渡大學(xué)的園藝教授——加里·米切爾在一項(xiàng)聲明中說：“地球上的一切最終都由陽光進(jìn)行光合作用”?！拔覀兠媾R的問題是怎樣在太空中復(fù)制，用有限的能源產(chǎn)生自己的光源，有針對(duì)性的LED照明是最佳選擇?！?/p>

　　太空農(nóng)業(yè)中，LED照明進(jìn)行時(shí)

　　美國(guó)航空航天局針對(duì)宇宙基地閉鎖式生命維持系統(tǒng)的植物生產(chǎn)特點(diǎn)，把LED光源列為空間植物栽培系統(tǒng)首選光源，并委托Wisconsin大學(xué)等單位開展研究，目前已研究出應(yīng)用6-14m2就能提供一個(gè)人需要的面粉、豆、薯、菜、蕃茄、玉米等食物的生產(chǎn)模式。

　　普渡大學(xué)的園藝教授加里-米切爾認(rèn)為，太空農(nóng)業(yè)需要采取垂直方式，即與地球上的城市農(nóng)業(yè)提倡的方式類似。LED的重要支持者米切爾已經(jīng)從事垂直農(nóng)業(yè)很多年，采用垂直農(nóng)業(yè)是為了支持太空生活。

　　德國(guó)Heliospectra公司發(fā)布了L4A系列的10型LED照明系統(tǒng)，主要用于包括植物生物化學(xué)、植物分子生物學(xué)、昆蟲學(xué)以及動(dòng)物學(xué)等領(lǐng)域的開發(fā)研究。德國(guó)航空航天中心采用此照明系統(tǒng)作為環(huán)境封閉營(yíng)養(yǎng)來源進(jìn)化和設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目的組成部分，最終實(shí)現(xiàn)在太空領(lǐng)域種植蔬果。

　　加拿大圭爾夫大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)致力研究一項(xiàng)LED技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以提供宇航員在外天空種蔬菜。

　　中國(guó)航天員中心載人航天環(huán)控生保室主任郭雙生等在模擬空間艙內(nèi)環(huán)境溫度控制在22℃、相對(duì)濕度70%、二氧化碳濃度500μmol·mol-1、光照周期24 h(亮) /0 h(暗)的條件下,利用紅藍(lán)2種LED的4種不同組合作為照明光源,在多孔管和多孔陶瓷顆粒無土栽培裝置下進(jìn)行植物栽培試驗(yàn)。結(jié)果表明，紅色LED下生長(zhǎng)的植物初期呈匍匐狀，后期直立、細(xì)長(zhǎng);紅藍(lán)光LED組合下的植株生長(zhǎng)基本正常，但90%紅光LED+10%藍(lán)光LED更為適宜。這一結(jié)果對(duì)我國(guó)太空農(nóng)業(yè)LED的應(yīng)用研究具有重要的參考價(jià)值。

　　加拿大圭爾夫大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)正在研究在使用LED的情況下怎樣使植物生長(zhǎng)達(dá)到最優(yōu)化的技術(shù)，LED照明能夠提供植物生長(zhǎng)所需要的特殊波，最看重的就是LED照明的高效性。當(dāng)資源短缺時(shí)，你可以通過較少的能量就獲得許多光子。研究人員在試驗(yàn)中使用萵苣進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)檫@種植物很容易生長(zhǎng)而且生長(zhǎng)迅速。他們將借助研究結(jié)果改善更具營(yíng)養(yǎng)的作物生長(zhǎng)，比如說草莓和圣女果等。研究人員相信，LED光源的奇特方法將在未來廣泛運(yùn)用，讓宇航員在太空中種植大量蔬菜。

　　而普渡大學(xué)園藝教授加里-米切爾也在做著相類似的研究，他們的新科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，就生菜來說，至少神奇的靈丹妙藥似乎是按95:5的比例在棚頂上放置紅色和藍(lán)色指示燈，這樣特殊的混合光比使用全覆蓋LED燈節(jié)省50%的能源，比傳統(tǒng)燈泡節(jié)省90%的能源。

　　未來的太空農(nóng)民都發(fā)現(xiàn)，只發(fā)出可見光的LED燈是最好的選擇，植物扔掉了太陽的大部分能量，進(jìn)化使得植物在所有顏色中偏好吸引紅光和藍(lán)光。在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室改造之后研究人員發(fā)現(xiàn)，用少許藍(lán)光和大量紅光喂養(yǎng)的生菜產(chǎn)量最高，削減了十倍能源消耗。

　　當(dāng)然，對(duì)于太空農(nóng)業(yè)的LED照明系統(tǒng)來說，研究組還有很多工作要做，比如研究在植物的整個(gè)生命周期中如何適時(shí)增減光照。一旦得到最優(yōu)的綠葉蔬菜光照過程，科學(xué)家們將開始研究更多植物要求的光線，如西紅柿和玉米。

　　發(fā)展太空農(nóng)業(yè)，有何好處?

　　太空旅行，糧食問題尤為重要

　　1、在太空種植可食性植物有助于解決太空旅行面臨的一個(gè)最大問題：食物的成本，能夠在太空中實(shí)現(xiàn)自給自足。

　　2、太空培育蔬菜的成功也為地球栽種植物提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)，那些土壤貧瘠的偏遠(yuǎn)郊區(qū)或山區(qū)的人們也可以依法炮制，在室內(nèi)利用光照進(jìn)行液體培育，以豐富他們的食物種類，解決饑荒等問題。

　　3、太空農(nóng)業(yè)將實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，該技術(shù)的進(jìn)步也將反饋到地球上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可以帶動(dòng)偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕作和運(yùn)輸系統(tǒng)的建設(shè)，帶來農(nóng)業(yè)技術(shù)的革命。

　　作為太空農(nóng)業(yè)發(fā)展中重要的人工光源，LED將在太空農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。盡管目前太空農(nóng)業(yè)發(fā)展仍處于研究階段，但其前景可期。可以想見，包括太空農(nóng)業(yè)在內(nèi)的未來LED農(nóng)業(yè)照明市場(chǎng)的熱度會(huì)有增無減。單從LED植物生長(zhǎng)燈來看，全球LED植物生長(zhǎng)燈產(chǎn)值從2013年起已開始呈現(xiàn)高速成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從千萬美元規(guī)模增長(zhǎng)至2014年的3500萬美元左右，2017年更有望可達(dá)到3億美元。

　　企業(yè)方面，盡管有不少企業(yè)都積極部署農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域，如飛利浦、歐司朗、三菱化學(xué)、首爾半導(dǎo)體、臺(tái)灣億光等知名企業(yè)都已涉足和有部署，表現(xiàn)積極。國(guó)內(nèi)也有不少成長(zhǎng)型企業(yè)介入，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)企業(yè)的表現(xiàn)近來也愈發(fā)積極，包括晶電、璨圓、新世紀(jì)、億光、東貝都極欲切進(jìn)該市場(chǎng)，并且各自有對(duì)應(yīng)的光源應(yīng)用解決方案。但明確針對(duì)太空農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的部署，幾乎寥寥可數(shù)，畢竟目前太空農(nóng)業(yè)發(fā)展仍處于起步階段，太空種植的LED照明系統(tǒng)處于研究階段，加上其發(fā)展生態(tài)與模式較為特殊，需要一系列特殊技術(shù)，自然曲高和寡——主要是一些科研機(jī)構(gòu)、太空技術(shù)公司進(jìn)行相關(guān)探索。盡管太空農(nóng)業(yè)中所使用的LED燈量少，但其利潤(rùn)高，而太空環(huán)境中微重力、高真空、高能粒子輻射等因素對(duì)LED照明技術(shù)提出了更高的要求，這也需要照明行業(yè)的頂尖企業(yè)加入進(jìn)來一起進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)與探索，與科研機(jī)構(gòu)、太空技術(shù)公司一起實(shí)現(xiàn)太空農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要突破，并惠及地球農(nóng)業(yè)，造福全人類。