WEST LAFAYETTE, Indiana — Los investigadores de la Universidad de Purdue han diseñado dos estrategias simples de iluminación LED para aumentar el rendimiento y reducir los costos de energía para el sector agrícola vertical de la agricultura de interior.
Las estrategias de dosel cerrado y de iluminación enfocada desarrolladas por la candidata a doctorado Fatemeh Sheibani y el profesor Cary Mitchell, ambos en el Departamento de Horticultura y Arquitectura del Paisaje en la Facultad de Agricultura de Purdue, aprovechan las propiedades especiales de la iluminación LED.
“Una es que son relativamente fríos en la superficie emisora, en contraste con otras opciones de iluminación”, dijo Sheibani. Así, el sistema de iluminación trabaja más cerca de las plantas sin quemarlas. Los LED también son impulsados por corriente, a diferencia de muchas fuentes de iluminación impulsadas por voltaje que consumen mucha energía.
Su trabajo es parte de un proyecto llamado OptimIA (Optimización de la Agricultura Interior). El proyecto, dirigido por la Universidad Estatal de Michigan, incluye colaboradores de Purdue, la Universidad de Arizona y la Universidad Estatal de Ohio. OptimIA está patrocinado por la Iniciativa de Investigación de Cultivos Especiales del Departamento de Agricultura de EE. UU.
Fatemeh Sheibani, candidata a doctorado en horticultura y arquitectura paisajista, examina plantas de lechuga en una cámara de ambiente controlado usando iluminación LED. La investigación de Sheibani se enfoca en encontrar la mejor estrategia para usar LED en la agricultura vertical que maximizará el rendimiento de los cultivos y disminuirá los costos de producción asociados con la iluminación. (Purdue Agricultural Communications photo/Jessica Kerkoff) Descargar imagen
En la agricultura vertical, los productos crecen utilizando LED como única fuente de iluminación (ver video de YouTube).
“Es el sector de agricultura de ambiente controlado de más rápido crecimiento”, dijo Mitchell. “Hay nuevas empresas emergentes en áreas urbanas y paraurbanas todo el tiempo y en todo el mundo”.
Impulsado por un sector de inversión entusiasta, EE. UU. es un líder mundial de la industria. Pero los costos de mano de obra y energía, que suman alrededor del 60 % del funcionamiento de una granja bajo techo, amenazan el futuro de las nuevas empresas. La inflación y el aumento de los costos de la energía han hecho que una industria ya frágil lo sea aún más. Los costos de puesta en marcha también son altos, tanto para terrenos en áreas urbanas como para la instalación del sistema de iluminación LED.
Pero las granjas de interior pueden reducir fácilmente el uso de energía mientras logran su rendimiento habitual con la estrategia de iluminación de dosel cerrado. O bien, pueden aumentar el rendimiento mientras mantienen su uso de energía anterior. Los agricultores de interior pueden atenuar el voltaje de una lámpara de sodio de alta presión de 1000 vatios con un reóstato, pero eso simplemente convierte la energía en calor sin ningún ahorro.
“Es energía oculta”, dijo Mitchell. Pero con los LED, el flujo de corriente se puede reducir y la salida de luz se reduce proporcionalmente.
La iluminación de dosel cerrado funciona porque los LED brillan en todas las direcciones, como el sol. A distancias estándar de separación planta/luz, la luz significativa que fluye en ángulos amplios sobre las plantas las pierde por completo. Pero con distancias de separación reducidas, las plantas absorben luz que de otro modo se desperdiciaría.
Michael Gildersleeve, un estudiante graduado en el Departamento de Horticultura y Arquitectura Paisajista de Purdue, trabaja con plantas de lechuga cultivadas bajo iluminación LED de dosel cerrado para maximizar la eficiencia energética y el rendimiento de los cultivos. (Purdue Agricultural Communications photo/Tom Campbell) Descargar imagen
Hoy en día, las granjas de interior pueden ofrecer a los consumidores solo verduras de hoja verde y hierbas culinarias de manera asequible. Su rápido crecimiento permite muchos ciclos de cultivo durante todo el año, a diferencia de los productos cultivados en jardines o campos.
Y una vez que lleguen a las áreas urbanas de alto costo, los kits de ensaladas y verduras de hojas verdes producidos en interiores podrían venderse a $ 16 o $ 17 por libra.
“Lo que te venden en la tienda en forma de concha o como planta individual es solo una fracción de libra”, dijo Mitchell.
Los LED son el sistema de iluminación elegido para la agricultura de interior debido a su eficiencia energética relativa y su larga vida útil, dijo Sheibani. Pero los LED mejorados también tienen una alta eficacia de fotones, lo que significa que la energía eléctrica se convierte más fácilmente en luz que las plantas pueden usar de manera eficiente.
Aún así, la captura ineficiente de la luz LED reduce sus beneficios. Muchos agricultores de interior, por ejemplo, creen erróneamente que pueden colocar sus LED en cualquier lugar. Pero Sheibani y Mitchell notaron tanto en granjas verticales como en experimentos a menor escala que la luz caía no solo sobre las plantas sino también sobre las paredes y los pasillos. Al reducir la distancia entre el sistema LED y el dosel de la hoja, los investigadores pudieron reducir esa luz desperdiciada.
“Podemos mejorar la eficiencia de captura de fotones del dosel, como lo llamamos, siempre que usemos los LED correctamente”, dijo Sheibani. “La eficiencia de captura de fotones del dosel es la fracción de fotones que llegan a la maquinaria de fotosíntesis de las plantas”.
Sheibani mide los desechos a través de una relación entre el crecimiento de las plantas y el consumo de energía eléctrica LED. La eficiencia de utilización de energía resultante compara gramos de producción de biomasa fresca o seca por kilovatio hora de energía consumida por el sistema de iluminación LED.
“Cuantos más gramos de biomasa fresca o seca se producen por kilovatio hora, mejor es”, dijo. Y ambos escenarios probados de Purdue encontraron que la distancia de separación más cercana tenía la eficiencia de utilización de energía más alta.
Sheibani y Mitchell también están probando un enfoque de iluminación enfocada que ahorra energía y se basa en un sistema LED hecho a medida con controles selectivos. ¿Cómo les va a las plantas pequeñas, individuales y ampliamente separadas bajo haces de luz que se propagan lentamente en lugar de una cobertura total todo el tiempo?
“Cuando las plántulas emergen después de la germinación, las plantas muy pequeñas están muy separadas”, dijo Mitchell.
“Se necesitan dos semanas para que crezcan juntas y cierren un dosel de verduras tiernas. Todo lo que hay en el medio es principalmente luz desperdiciada hasta entonces”.
El sistema de Sheibani y Mitchell minimiza ese desperdicio. Cuando las plantas aún son pequeñas, usan iluminación LED de cobertura total de manera ineficiente, dijo Sheibani. Pero es posible ahorrar energía en las primeras etapas de crecimiento con iluminación enfocada.
“Luego, cuando las plantas estén en la etapa en que pueden usar la luz de manera eficiente, podemos actualizar para proporcionar la cantidad óptima”, dijo.
OptimIA ofrece más información en presentaciones de video gratuitas en OptimIAUniversity y Indoor Ag Science Café.
“Hay mucho entusiasmo acerca de la agricultura de interior y la gente se está involucrando”, dijo Mitchell. “Pero todavía no tienen el secreto de la rentabilidad a largo plazo. Ahí es donde la investigación académica como el proyecto OptimIA entra para ayudar”.
Escritor: steve koppes
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