LED-VALOT JA KASVINTUOTANTO

Transkriptio

1 LED-VALOT JA KASVINTUOTANTO UEF 2014 Uuden valaistustekniikan mahdollisuudet ja riskit Minna Kivimäenpää, Jukka Juutilainen ja Jarmo Holopainen Ympäristötieteen laitos, Itä-Suomen yliopisto (UEF), Kuopio ITÄ-SUOMEN YLIOPISTON YMPÄRISTÖTIETEEN LAITOKSEN JULKAISUSARJA, No. 1/2014 ISBN: , ISSN-L: , ISSN

2 LED-valot ja kasvintuotanto ALKUSANAT Tämä tietopaketti on tuotettu Pohjois-Savon ELY-keskuksen ja Euroopan sosiaalirahaston rahoittamassa "LED-valaistuksen edut ja riskit kasvintuotannossa" hankkeessa. Hankkeen tavoitteena oli tuottaa uuteen valaistustekniikkaan siirtymistä helpottavaa koulutusmateriaalia puutarhatuotannon ammattilaisille. Aineisto perustuu pääosin uusimpaan tieteelliseen tutkimustietoon ja hankkeessa tehtyihin säteilytasomittauksiin. Kirjallisuuskatsauksen perusteella pyritään tuomaan esille niitä etuja, joita LED-valaistus tarjoaa verrattuna nykyisin kasvihuonetuotannossa yleisesti käytettäviin suurpainelamppuihin. Hankkeen riskien kartoituksen alkuhypoteesina oli, että kasvintuotantoon tarkoitettujen LEDvalaisimien korkeaenerginen, lyhytaaltoinen sininen valo on haitallista osuessaan suoraan verkkokalvoille. Sinisistä ledeistä koituvaa riskiä koskevat tiedot perustuvat tässä hankkeessa tehtyihin radianssimittauksiin eri valmistajien valaisimista. Hankkeessa saatujen mittaustulosten perusteella LED-valaisinten sijoitteluun tulee kiinnittää huomiota silmävaurioriskin välttämiseksi. LED-valaistustekniikka on voimakkaassa kehittymisvaiheessa, ja kasvintuotantoon tarjolla olevat LED-valaisinratkaisut kehittyvät. Uusia tuotteita tulee koko ajan markkinoille. Ensimmäisen vaiheen ei-himmennettävien LED-valaisimien korvautuessa himmennettävillä ledeillä valaistustekniikan mahdollisuudet paranevat entisestään. Yksittäisten värien täydellinen säädettävyys mahdollistaa myös entistä paremman auringon valon vuorokautisen spektrivaihtelun jäljittelyn ja siten kasvien luontaisen valovasteen täysimittaisen hyödyntämisen. Ledien hyötysuhteen paraneminen ja korkeampien valaistustehojen tuottaminen edistävät myös tämän valaistustekniikan leviämistä. LED-valaisimen kalleuden vuoksi niiden käyttö suomalaisessa kasvihuonetuotannossa on vielä suhteellisen vähäistä. Edullisempien ja kehittyneempien LED-valaisimien vähitellen tullessa markkinoille, on kasvihuonetuottajien kiinnostus uuteen valaistustekniikkaan heräämässä. Toivomme, että tästä raportista on hyötyä uusia valaisininvestointeja suunnitteleville tuottajille. KUOPIOSSA MINNA KIVIMÄENPÄÄ JUKKA JUUTILAINEN JARMO HOLOPAINEN 1

3 SISÄLLYSLUETTELO ALKUSANAT... 1 TAUSTAA... 3 KASVIEN VALOBIOLOGIAN PERUSTEITA... 3 Mitä valo on?... 3 Miten kasvit reagoivat valoon?... 4 Kasvien tärkeimmät vasteet sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalueisiin... 4 LED-TEKNIIKKA JA SEN SOVELLUKSET KASVINTUOTANNOSSA... 6 Mitä LED-valo ja valaisimet ovat?... 6 Miten LED-valot poikkeavat muista valaistustekniikoista?... 7 Miten LED-valojen spektri vaikuttaa kasveihin ja kasvin sisäiseen laatuun?... 8 Miksi LED-valot eivät ole vielä yleistyneet?... 9 Markkinoilla olevien LED-valaisimien päätyyppejä LED VALAISTUKSEEN LIITTYVÄT RISKIT LED-VALAISTUKSEN TULEVAISUUDEN MAHDOLLISUUDET LED-valaistuksen vaikutus kasvatusteknologiaan LED-valaistus ja EU:n biotalousstrategia YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET KIRJALLISUUTTA

4 TAUSTAA Kuopion kampuksella sijaitsevalle Itä-Suomen yliopiston ympäristötieteen laitokselle hankittiin vuonna 2014 tutkimuskäyttöön uudet kasvialtistuskammiot, joihin asennettiin modernit säädettävät LED-valot kammioiden ympäristökuormituksen vähentämiseksi. Tämä Europan Unionin aluekehitysrahaston ja Pohjois-Savon Liiton tuella tehty investointi mahdollistaa jatkossa tutkimushankkeet, joiden tavoitteena on tukea EU:n päämäärien mukaiseen ympäristöä vähemmän kuormittavaan, hiilineutraalimpaan ja energianiukempaan yhteiskuntaan siirtymistä. Vähäisemmän energiankulutuksen ohella LED-valaisimet eivät sisällä elohopeaa kuten esim. loisteputket, joten niiden ympäristövaikutukset jäävät selvästi alhaisemmiksi. Investointihankeen suunnittelussa ja kammioiden käyttöönottovaiheessa kerättiin runsaasti tietoa LED-valaistuksen mahdollisuuksista ja optimoinnista kasveihin ja kasvintuotantoon liittyvää tieteellistä tutkimusta varten. Siinä yhteydessä kertynyttä tutkimustietoa sekä erityisesti Pohjois-Savon ELY-keskuksen ja Euroopan sosiaalirahaston rahoittamassa LED-valaistuksen edut ja riskit kasvintuotannossa -hankkeessa tehdyissä mittauksissa saatua tietoa on hyödynnetty tämän raportin toteutuksessa. KASVIEN VALOBIOLOGIAN PERUSTEITA Mitä valo on? Valo on osa sähkömagneettisen säteilyn spektriä. Valo määritellään ihmissilmällä nähtäväksi osaksi aallonpituusalueella n. 380 nm 700 nm. Lyhyimmät aallonpituudet ovat väriltään violetteja ja pisimmät punaisia (Kuva 1). Näkyvää valoa lyhemmän aallonpituusalueen nm säteily on ultraviolettisäteilyä (UV). UV-A-alueen ( nm) säteily on näkymätöntä mutta ihmisen iho reagoi siihen ja kehittää suojaava pigmenttiä. Lyhempiaaltoinen UV-B- ja erityisesti kaikkein lyhytaaltoisin UV-C-säteily ovat haitallista soluille, ja UV-C-valoja käytetäänkin mm. sairaalatarvikkeiden ja puhdastilojen sterilisoimiseen. Auringon säteilystä n. 7% on UV-säteilyä, mutta ilmakehä suodattaa kaiken UV-C-säteilyn ja suuriman osan UV-B-säteilystä. Näkyvää valoa pitempi yli 700 nm alueella esiintyvä säteily n. 1 mm saakka on infrapunasäteilyä ja sitä pitempi aallonpituusalue on mikroaaltoja. Infrapunasäteilyä hyödynnetään silmälle näkymättömänä mm. televisioiden kauko-ohjaimissa, lämpökameroissa ja sitä käytetään lämmittämiseen säteilylämmittimissä. 3

5 Kuva 1. Näkyvän valon, ultraviolettisäteilyn (UV) ja infrapunaisen säteilyn (IR) jakautuminen sähkömagneettisessa spektrissä. Eri värien aallonpituudet on ilmoitettu nanometreinä. Eri lähteissä tiettyjen värien aallonpituus alueet on rajattu hieman eri tavoin. Miten kasvit reagoivat valoon? Kasvi ottaa valoenergiaa vain tietyillä aallonpitoisuuksilla ja tarvitsee eri aallonpituuksien energiaa yhteytykseen, kasvun ylläpitoon ja muihin toimintoihin. Kasvi käyttää eniten sinivioletin ja sinisen ( nm) ja punaisen ( nm) valon aallonpituuksien energiaa yhteytykseen. Sinisen, punaisen ja kaukopunaisen ( nm) suhteet valossa vaikuttavat kasvin itämiseen, kasvuun, muotoon, kukintaan ja myös kasvien sisältämien kemiallisten yhdisteiden pitoisuuksiin. Niiden aallonpituusalueiden valo, joiden energiaa kasvi ei käytä, heijastuu pois. Heijastumisen vuoksi kasvillisuus näyttää vihreältä, koska kasvit eivät absorboi auringon säteilyn tai valkean keinovalon vihreää aluetta. Kasvit aistivat valon laadun erilaisilla reseptoripigmenteillä. Kun valon väri muuttuu, muuttuu nopeasti myös kasvien itäminen, kasvu ja erilaisten puolustusyhdisteiden tuotto. Kasvien tärkeimmät vasteet sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalueisiin UV-A-alue (n nm) on pitkäaaltoisinta UV-säteilyä. Siihen reagoi myös ihmisen iho kuten mainittu aiemmin. Kasvit suojautuvat auringon valon UV-B- ja UV-A-säteilyä vastaan ja aistivat sen joko UVR8-reseptorilla (UV-B) tai kryptokromireseptorilla (UV-A). Kasveissa UV-Asäteilyn vaikutukset ovat selvimmin nähtävissä aurinkoisilla paikoilla kasvavissa 4

6 kasviyksilöissä. Niillä on yleensä paksummat lehdet, jotka ovat myös tummempia kehittyvien suojapigmenttien vuoksi. Kasvin lehtivälit eivät myöskään veny niin kuin varjoisimmilla paikoilla. Violetti ja sininen ( nm) valo on voimakkaimmillaan aurinkoisina päivinä ja vaikuttaa kasveissa ilmarakojen säätelyyn ja kasvien suuntautumiskäyttäytymiseen valoa kohden. Sinivioletin ja sinisen valon alueella ovat yhteytykseen lehtivihreän valoa sitovien pigmenttien klorofylli a:n (430 nm) ja klorofylli b:n (453 nm) absorptiomaksimit. Aallonpituusalueella nm valoa sitovat myös useat karotenoidipigmentit, jotka toimivat solun antioksidantteina ja antavat kasvinosalle keltaisen tai oranssin värin. Sinisen valon reseptoreina kasveissa toimivat kryptokromit ja fototropiini. Vasteissa on yhtäläisyyksiä UV-säteilyn aiheuttamien vasteiden kanssa. Sinisen valon alla kasvaneet kasvit muistuttavat voimakkaassa auringon valossa kasvaneita tanakoita kasveja ja niiden haihdutus on voimakasta. Vihreä ( nm) valo ei ole vihreille kasveille välttämätöntä, koska kasvit heijastavat sen pääosin pois. Kasvit aistivat vihreää pääsääntöisesti sinisen valon reseptoreilla, mutta vasteet kasvussa ovat päinvastaisia kuin sinisen valon aiheuttamat. Kasvit venyvät ja lehtien haihdutus vähenee. Kasvit käyttävät vihreää valoa erityisesti ympäröivän kasvillisuuden aistimiseen. Keltainen ja oranssi ( nm) valo eivät ole minkään kasvien valoreseptoripigmentin absorbanssimaksimin alueella. Fytokromireseptorit toimivat punaisen ja kaukopunaisen valon aallonpituuksien tunnistamisessa, mutta niillä on jossain määrin vastetta myös keltaisen ja oranssin valon alueella. Korkeapainenatriumlamppujen säteilytehosta suuri osa kohdistuu juuri tälle alueelle ja siten niiden energia menee osittain hukkaan. Punaisen ( nm) ja kaukopunaisen ( nm) alueen valo on kasveille erittäin tärkeätä. Punaisen valon alueella ovat yhteyttämiseen lehtivihreän valoa sitovan pigmentin klorofylli b:n (642 nm) pienempi absorptiopiikki ja kaukopunaisen alueella klorofylli a:n (662 nm) toinen piikki. Valoherkät fytokromipigmentit koostuvat proteiineistä ja absorboivat sekä kaukopunaista että punaista valoa ja kasvit käyttävät niiden antamaa informaatiota mm. kukinnan virittämiseen, ja varjostuksen välttämiseen, mikä kilpailutilanteessa johtaa kasvin venymiseen. Fytokromeilla on kaksi muotoa, P660 (virittyy 660 nm punaisella, efektiivinen alue nm) ja virittymätön P730 (vastaanottaa 730 nm kaukopunaista, efektiivinen alue nm). Näistä P660 virittyy päivällä auringonvalossa tai sinisessä valossa ja muuttuu P730 nm muotoon, joka säätää kasvien kukkimista ja itämistä. Päivän pituuden ollessa riittävän pitkä P730 muotoa ehtii muodostua tarpeeksi kukinnan indusoimiseksi. Vastaavasti kasvit itävät, kun P730 on riittävästi. Ilta-auringon kaukopunaisen valon vaikutuksesta P730 alkaa muuttua nopeasti taas P660 muotoon eli lepotilaan virittyäkseen taas seuraavana päivänä P730 muotoon. Kasvi käyttää fytokromien suhdetta päivän pituuden määrittämiseen. 5

7 Valon eri aallonpituuksien yksittäisten vaikutusten ohella kasveille on tärkeää millaisissa suhteissa aallonpituudet esiintyvät kasvin saamassa valossa. Esim. punaisen ja kaukopunaisen valon suhde on aurinkoisella ja avoimella paikalla n. 1,2 ja lehvästön varjossa se on 0,1-0,2. Koska kasvit imevät tehokkaasti auringon valosta punaisen valon aallonpituudet ja heijastavat pois pääosan kaukopunaisesta valosta, lisääntyy toisista kasveista heijastuvan kaukopunaisen osuus huomattavasti kasvuston alaosissa. Mitä alempi tuo suhde on, sitä voimakkaampi on kasvin varjostuksen estämisvaste, mikä siis johtaa kasvin varren ja lehtien venymiseen varjossa. Vastaavasti sinisen ja vihreän valon suhteella on samansuuntaista vaikutusta. Sinisen valon ollessa dominoiva kasvi muodostuu tanakammaksi ja varjostukseen liittyvän vihreän valon osuuden kasvaessa kasveissa esiintyy samanlaista venymistä kuin alhaisessa punaisen ja kaukopunaisen suhteessa. LED-TEKNIIKKA JA SEN SOVELLUKSET KASVINTUOTANNOSSA Mitä LED-valo ja valaisimet ovat? LED on lyhenne termistä Light-Emitting Diode. LED tai ledi on puolijohdekomponentti eli hohtovalo, joka säteilee valoa johdettaessa sen läpi sähkövirtaa. Puolijohteiden materiaalina on maametallien suoloja kuten esim. piikarbidi (SiC) ja galliumnitriitti (GaN). Yhdistämällä ja kerrostamalla näitä puolijohteita saadaan diodit säteilemään haluttua värisävyä. Lopuksi puolijohdekomponentti päällystetään suojaavalla epoksimuovilla. Valkoiset ledit ovat tavallisia sinisiä ledejä, jotka on pinnoitettu fluoresoivalla loisteaineella. Niiden lähettämä valo näyttää valkealta, koska osa sinisestä valosta muuttuu fluoresoivassa kerroksessa keltaiseksi. Kasvihuonekäyttöön tarkoitetut LED-valaisimet koostuvat yksittäistä pienistä ledeistä, joiden teho vaihtelee välillä 1-3 W. Kasvihuoneeseen tarkoitetussa LED- valaisimessa voi olla yli sata yksittäistä lediä, joiden värisävyt ovat myös erilaisia (Kuva 2). Joukossa on myös valkoisia ledejä, jotka tuottavat osan sinisen valon kokonaissäteilystä. Lisäksi joissain valaisimissa on kunkin yksittäisen ledin edessä linssi, joka kohdistaa valoa kauemmas valaisimesta. Tämän oppaan kansikuvassa on esimerkki tällaisesta LEDvalaisimesta, jossa kutakin yksittäistä lediä suojaa erillinen linssi. Valoa kohdistavaa linssiä käytetään erityisesti tehokkaissa valaisimissa, joissa yksittäiset ledit ovat korkeatehoisia ja niitä on valaisimessa useita. Silloin valaisimen kuumeneminen on huomattavaa, useimmiten niissä on erillinen tuuletin ja ne on sijoitettava kauemmas kasveista. 6

8 Miten LED-valot poikkeavat muista valaistustekniikoista? LED-valojen tärkein etu kasvihuoneilla yleisemmin käytettyihin suurpainenatriumlamppuihin ja metallihalidilamppuihin on niiden pitkä käyttöikä ja energiatehokkuus. Andersonin (2010) mukaan suurpainenatriumlampuissa otetusta energiasta muuttuu valoksi jopa 35 % koko näkyvän valon alueella, mutta ainoastaan n. 19% punaisen ja sinisen valon alueella, missä kasvien yhteytys on tehokkaimmillaan. Ledeissä energiatehokkuus valoenergiana on eräiden valmistajien ilmoituksen mukaan 39% punaisissa ja 35% sinisissä ledeissä otettua sähkötehoa kohden. Sinisten ja punaisten ledien yhdistelmässä valoenergiasta siirtyy huomattavasti suurempi osa kasvien ottamaan muotoon kuin suurpainenatriumlampuissa ja vastaavasti lämpöenergiaa tuotetaan vähemmän. Vähäisempi valaistuksesta tuleva hukkalämpö joudutaan talviaikaisessa tuotannossa korvaamaan lisäämällä kasvihuoneen lämmitystä. Vähäisen hukkalämmön tärkein etu on kasvin kannalta se, että valot voidaan asentaa lähemmäksi kasveja ja siten edelleen tehostaa valoenergian sitoutumista kasveihin ja kasvien kasvua. Tämä mahdollistaa myös monimuotoisemmat ratkaisut monikerroskerrosviljelyyn ja välivalotukseen, ja siten tehostaa tilankäyttöä. Kuva 2. Punapainotteisen ja kahden päivänvalopainotteisen valaisintangon yksittäiset ledit täydellä säteilyteholla. (valokuva Jarmo Holopainen). 7

9 Edellä on jo käsitelty kasvien kykyä havaita erilaisia valon aallonpituuksia valoreseptoreidensa avulla. LED-tekniikan toinen etu kasvihuonetuotannossa on niiden tarjoama mahdollisuus säätää valaistuksen spektri kunkin kasvilajin valoenergian käytön kannalta mahdollisimman edulliseksi. Jos valoa ei anneta niillä aallonpituusalueilla, kuten vihreä ja keltainen, joita kasvit eivät käytä ja vastaavasti heijastavat ne ympäristöön, kasvihuoneiden tuottama valosaaste vähenee. Miten LED-valojen spektri vaikuttaa kasveihin ja kasvin sisäiseen laatuun? LED-valaistuksen ja ledien avulla muokattavan spektrin vaikutuksia puutarhakasvien kasvuun, kehitykseen ja kemiallisiin yhdisteisiin tutkitaan aktiivisesti. Useimmissa tutkimuksissa on verrattu perinteisen suurpainenatriumlampun tai valkoisen loisteputkivalon eroja niiden ja LEDvalaisimissa käytettäviin valon värikoostumuksiin. Yleissääntönä on, että siniseen valoon painottuvat päivänvaloa muistuttavat valospektrit sopivat parhaiten kasvien taimikasvatus- ja nuoruusvaiheen vegetatiivisen kasvun ylläpitoon. Punapainotteisemmat valospektrit sopivat kukinnan virittämiseen ja kukkiville kasveille, mutta myös lehtivihannesten kasvatuksiin. Eri valmistajilla suositukset kuitenkin hieman poikkeavat, mihin voi vaikuttaa esimerkiksi kaukopunaisen valon osuus valaisimen kokonaisspektristä. Kasvien tuottamat kemialliset yhdisteet vaikuttavat kasvin ulkonäköön, tuoksuun, makuun ja terveellisyyteen. Ulkonäköön ja makuun vaikuttavia väriaineita ovat mm. vihreän värin antava klorofylli, punaisen ja oranssin väriset karotenoidit ja punaiset, siniset ja violetit antosyaanit. Kasvien fenoliset yhdisteet, mukaan lukien flavonoideihin kuuluvat antosyaanit, toimivat kasvin puolustusyhdisteinä, ja ovat myös tärkeä antioksidanttilähde ihmisravinnossa. Kasvin tuottamien haihtuvien aromiyhdisteiden määrä vaikuttaa esim. maustekasvien, hedelmien ja marjojen tuoksuun ja makuun. Kun LED-valon spektrissä on paljon kaukopunaista suhteessa muihin aallonpituuksiin, tulee salaateista suurempia, mutta klorofyllin, karotenoidien ja antosyaanin pitoisuudet vähenevät. Punaisen ja kaukopunaisen valon suhdetta muuttamalla on myös onnistuttu lisäämään tomaatin, mansikan ja pensasmustikan makuun ja tuoksuun vaikuttavia haihtuvia aromiyhdisteitä. Punaisen ja kaukopunaisen valon suhteella pystytään säätämään kukinnan alkamista, ja molemmat aallonpituudet ovat myös lisänneet kukista haihtuvien tuoksuyhdisteiden pitoisuuksia. Lisäämällä niin punaisen kuin sinisen valon osuutta ledeillä, on saatu lisättyä monien antioksidanttien pitoisuuksia mm. kaaleissa ja lehtisalaateissa. Punaisen valon osuutta lisäämällä on saatu vähennettyä mm. lehtisalaatin, sipulin, tillin ja persiljan nitraattipitoisuutta. Kasvien lehdessä vapaana oleva nitraattia pidetään vihannesten laatua heikentävänä tekijänä 8

10 ja jopa haitallisena kuluttajille. Ledeillä tuotettu sininen valo lisäsi tomaatin, persiljan ja basilikan fenoliyhdisteiden määrää. Analysoiduilla yhdisteillä tiedetään olevan suojaavia vaikutuksia mm. sydänsairauksia, syöpää, diabetesta ja hengitystiesairauksia vastaan. Korkea sinisen valon osuus tekee kasveista pienempiä. Korkeaenergisellä UV-A-säteilyllä voidaan lisätä antosyaanien määrää lehtisalaateissa. Tavallisesti kasveille tarpeettomana pidetyllä valon vihreän aallonpituuden on myös havaittu lisäävän lehtisalaatin puolustusyhdisteiden määrää ja vähentävän nitraattipitoisuutta. Puolustusyhdisteiden korkeat tai muuttuneet pitoisuudet voivat tehdä puutarhakasveista kestävämpiä tauteja ja tuholaisia vastaan. Tutkimustyötä tehdään myös ledien suorista vaikutuksista tuholaistorjuntaan. Kasvituholaisia on pystytty karkottamaan ja ohjaamaan pois kasvin kasvupisteistä ledien eri värisävyillä, ja siten suojaamaan herkästi vioittuvia lehtien ja kukkien aiheita. Valon koostumuksella voidaan vaikuttaa kasvisten kemialliseen koostumukseen vielä sadon korjuun jälkeenkin varastointivaiheessa ja kasvituotteiden esilläpitovaiheessa myymälässä. Valospektrin koostumusta säätämällä on voitu vaikuttaa sadon korjuun jälkeisten tuotteiden ulkonäköön, väriin, antioksidanttien määriin, makuun ja tuoksuihin. Tutkimustieto kasviledien ja niiden spektrikoostumuksen vaikutuksista on vielä melko hajanaista. Yhden kasvilajin ja kasvinosan vasteet eivät ole välttämättä yleistettävissä muihin lajeihin, ja myös lajikkeiden välillä on eroja vasteissa. Liian suurina pitoisuuksina jotkin kasvikemialliset yhdisteet voivat olla terveydelle haitallisia, esimerkkinä perunan alkaloidit, joita sininen valo ja UV-valo lisäävät. Ledien kasvuvaikutusten ja kasvien rakenne- ja ulkonäkövasteiden ohella tarvitaankin kokonaisvaltaista tutkimusta LED-valaistuksen värikoostumuksen vaikutuksista kasvikemikaalien pitoisuuksiin, ravintoarvoon, makuun ja ulkonäköön. Miksi LED-valot eivät ole vielä yleistyneet? Kuten kaikessa uudessa tekniikassa, myös LED-tekniikan sovelluksissa pioneerikäyttäjät joutuvat maksamaan uuden tekniikan kehityskuluja tuotteen hinnassa. Toisaalta uuden tekniikan kyseessä ollessa monilla potentiaalisilla käyttäjillä on ennakkoluuloja tekniikkaa kohtaan, josta ei ole saatavilla riittävästi käyttökokemuksiin perustuvaa tietoa. Markkinoiden kasvaessa LED-teknologia tulee muuttamaan katteenalaista kasvintuotantoa vallankumouksellisesti. Hyötysuhteen kasvaessa kasvintuotanto suljetuissa tiloissa saattaa tulevaisuudessa olla energiankäytön kannalta jopa tehokkaampaa kuin kesäisin jäähdytystä ja talvella lämmitystä kaipaavissa kasvihuoneissa. Säädettävillä valaisimilla valon laatua voidaan optimoida viljelykasvin kehitysvaiheen mukaan muuttamalla eri värien suhdetta ja yhteyttämiseen tarvittavan aallonpituusalueen kokonaissäteilytehoa. Tämän lisäksi uudella 9

11 tekniikalla voidaan muuttaa kasvien saaman valon määrää ja koostumusta vastaaman luonnon valon värikoostumusta vuorokauden eri aikoina ja siten jäljitellä esim. normaalia auringon valon sävyjen muuttumista ennen auringon laskua ja auringon nousun jälkeen. Uuden valaistusteknologian leviämistä on osaltaan jarruttanut myös vielä kesken oleva tuotekehitys. Tällä hetkellä valmistajat kehittävät valaisimia, joita voidaan optimoida eri viljelykasveille ja joissa valon laatua voidaan säätää vuorokauden ja kasvin kehityksen mukaan. Alkuvaiheen valaisimet ovat koostuneet pääasiassa sinisten ja punaisten ledien yhdistelmistä, joiden suhteellista osuutta ei ole voitu säätää. Aina niiden avulla saatu sato ei ole ollut perinteisten valaisimien alla saadun sadon luokkaa. LED-valaisimien valotehot ovat myös kasvaneet viime vuosina, kun on siirrytty tehokkaimpiin ledeihin. Runsaasti säätömahdollisuutta tarjoavat valaisimet edellyttävät enemmän tutkimusta ja tuotekehitystä, jotta viljelijät saavat niistä irti parhaan mahdollisen hyödyn. Yrityksissä tapahtuva tuotekehitys perustuu tieteelliseen perustutkimukseen. Itä-Suomen yliopiston ympäristötieteenlaitokselle Kuopioon saadut uudet LED-valoilla varustetut kasvialtistuskammiot tulevat tehostamaan alan tutkimusta Itä-Suomen alueella. Suljetuissa kammioissa voidaan toteuttaa pienimuotoisia kasvien altistuskokeita useina toistoina ja valoympäristö voidaan säädellä paljon tarkemmin kuin kasvihuoneissa. Tuloksia voidaan soveltaa ympäristötutkimukseen ja arvioida valon laadun merkitystä esim. kasvin stressien kestävyydessä. Perustutkimuksen tuloksia on sovellettavissa myös kasvihuonetuotantoon, mutta erityisesti kammiokokeista on hyötyä silloin, kun LED-valaistusta aletaan kehittää kokonaan keinovalon varassa toimivaan suljetuissa tiloissa tapahtuvaan kasvintuotantoon. LED-valaisimien hyötysuhteen kasvaessa suljetun tuotannon on otaksuttu nopeasti lisääntyvän. Markkinoilla olevien LED-valaisimien päätyyppejä LED-valaisimet koostuvat yksittäistä ledeistä, joiden teho vaihtelee välillä 1-3 W. Yksittäisessä LED-valaisimessa voi olla yli sata yksittäistä lediä, joiden värisävyt ovat myös erilaisia. Ensimmäisen sukupolven ledeissä ei ole valotehon säätöä, kuten uudemmissa himmennettävissä valaisimissa, joissa valoteho voidaan säätää esim % tehoalueella. 10

12 Tankomaiset valaisimet Tankomaiset valaisimet ovat kapeita ja yksittäiset diodit ovat niissä yhdessä tai useammassa rivissä. Yleensä niiden valoteho on korkeimmillaan n. 100 W luokkaa. Niissä ei ole tuuletinta vaan jäähdytys tapahtuu passiivisesti jäähdytysevien (kuva 3) avulla tai ne eivät tarvitse mitään jäähdytystä vähäisen lämpenemisen vuoksi. Tällaiset valaisimet sopivat hyvin esim. monikerroskasvatukseen, koska ne voidaan sijoittaa vain n cm päähän kasvista (kuva 4). Markkinoilla olevissa tankomaisissa valaisimissa on kiinteät valospektrit, joita ei voida muuttaa. Nykyisin niissä useimmiten käytetään himmennettäviä ledejä. Silloin useamman kiinteäspektrisen valaisimen avulla voidaan valon laatua muuttaa esim. vuorokauden eri aikoina himmentämällä vain osaa valaisimista. Valaisimien hinta on nykyisin valmistajasta ja valaisintyypistä riippuen n. 150 ja 500 välillä. Kuva 3. Ylempänä kaksi Philips LED-valaisinta, joissa ei ole jäähdytyseviä. Alla Valoyan B100 tankomainen valaisin, joissa on yläpuolella pitkät jäähdytysevät. (valokuva Jarmo Holopainen) 11

13 Kuva 4. Valoyan tankomaisia LED-valaisimia voidaan käyttää lähellä kasveja, koska ne eivät lämpene paljon. Kahden erityyppisen valaisimen avulla voidaan muuttaa kasvuspektriä säätämällä kunkin valaisintyypin tehoa alueella 10 % - 100% valaisimen kokonaistehosta. (valokuva Jarmo Holopainen) Kennomaiset valaisimet Kennomaiset valaisimet muistuttavat ulkoapäin mitoiltaan ja muodoltaan nykyisin käytössä olevia suurpainenatriumvalaisimia, jotka lähettävät valoa pistemäisesti suurella teholla, ja kohteena olevat kasvit ovat yleensä yli metrin etäisyydellä valaisimesta. Näiden tehot vaihtelevat 200W ja 600 W välillä. Valaisimet lämpenevät huomattavasti ja niissä on yleensä tuuletin (kuva 5), jonka avulla valaisimen liiallinen kuumeneminen estetään. Yksittäisten LEDdiodien määrä valaisimessa on yli 200, ne on sijoiteltu useaan riviin tai kennomaiseen ruudukkoon, ja niiden teho on yleensä myös suurempi (2-3 W) kuin tankomaisissa valaisimissa. Valaisimissa on myös mahdollisuus yksittäisten ledien tehon säätöön ja pois kytkemiseen, jolloin valospektrin muokkaaminen on mahdollista erityisesti tutkimuskäytössä (kuva 6). Valaisimissa on myös valmiita spektriohjelmia eri viljelyskasveille, ja säätöön käytettävin tietokoneohjelmistojen avulla niihin voidaan luoda uusia kasvatusohjelmia. Nämä valaisimet sopivat suoraan korvaamaan nykyisiä kasvihuonevalaisimia. Yksittäisen valaisimen hinta on nykyisin 1000 ja 2000 välillä valmistajasta ja valaisimen tyypistä riippuen. 12

14 Kuva 5. Kennomainen 300W LED-valaisin, jonka yläpuolella on säätöyksikkö ja kaksi jäähdyttävää tuuletinta. (valokuva Jarmo Holopainen) Kuva 6. Heliospectran säädettävä 600 W valaisin ohjelmoituna tuottamaan vain vihreää valoa kasvien kasvatuskaapissa. (valokuva Jarmo Holopainen) 13

15 Muut ratkaisut Erilaisista koristevaloista tunnettuja ratkaisuja on sovellettu myös kasvintuotantoon, mutta pääosin ne sopivat harrasteviljelyyn. Verkkomaisia ja nauhamaisia valaisimia, joihin yksittäiset ledit on sijoitettu, on käytetty esim. tomaatin ja kurkun välivalotukseen. Hybridivalotuksessa LED-valaisimia on lisätty perinteisten korkeapainenatrium kasvihuonevalojen lisäksi. Laajennetun valospektrin avulla on saatu lupaavia tuloksia. LED VALAISTUKSEEN LIITTYVÄT RISKIT Arvioitaessa uuteen LED-valaistusteknologiaan liittyviä riskejä eli vaaraominaisuuksia, voidaan ne jakaa suoriin ja epäsuoriin tekijöihin. Suorista ihmisen terveyteen kohdistuvista riskeistä ilmeisin on korkeaenergisen UV-säteilyn ja lyhytaaltoisen näkyvän valon silmille aiheuttama mahdollinen haitta. Epäsuoriin riskeihin kuuluvat mm. valittujen valaistuspektrien aiheuttamat odottamattomat haitalliset muutokset esim. kasvien tuholaisten ja kasvitautien kestävyydessä, jolloin haitalliset vaikutukset kohdistuvat myös toiminnan kannattavuuteen. Epäsuoria terveysriskejä voi liittyä myös terveysvaikutteisten kasvikemikaalien lisäämiseen ravintokasveissa valaistuksen avulla. Haittavaikutuksia voi ilmetä, jos terveysvaikutteisten antosyaanien ja flavonoidien ohella kasviksissa lisääntyvät terveyden kannalta haitalliset yhdisteet kuten esim. myrkylliset alkaloidit. Kasvi-LED-valaisimissa tärkeimmät aallonpituudet kasveille ovat sininen ja punainen. Lyhytaaltoinen sini-violetti ja sininen valo ovat korkeaenergistä, ja mahdollisesti haitallista osuessaan suoraan silmän verkkokalvoille. Suurin verkkokalvovaurion riski on aallonpituusalueella nm. Itä-Suomen yliopiston Ympäristötieteen laitoksella tutkittiin yhdeksän erityyppisen markkinoilla olevan kasveille tarkoitetun LED-valaisimen silmävaurioriskiä. Mittaukset suoritettiin spektroradiometrillä aallonpituusalueella nm pääosin kontrolloiduissa laboratorio-oloissa. Niissä pyrittiin samaan selville violetin ja sinisen valon riskitaso mittaamalla valaisimien biologisesti tehokas radianssi kansainvälisen ionisoimattoman säteilyn suojelukomission määrittelyn mukaisesti. 14

16 Mittasuureena käytetyllä radianssilla (L) tarkoitetaan lähtevä säteilytehoa säteilylähteen pintaalayksikköä ja avaruuskulmayksikköä kohti. Yksikkönä on W -1 m -2 sr -1, jossa W = teho watteina, m = pinta-ala ja sr = steradiaani, avaruuskulma. Kuva 7. Kasvi-LED-valaisimien sinisen valon riskit verkkokalvovaurion kannalta. Valojen sijoittelulla voidaan vähentää sinisen valon osumista suoraan näkökenttään. Suurin silmävaurion riski on silloin kun työntekijä joutuu säännöllisesti katsomaan suoraan valolähteeseen työsuorituksen aikana. Mittausten mukaan kaikkien tutkittujen valaisimien riskitaso on alhainen, jos valaisimet kohdistuvat poispäin ihmisen näkökentästä. Verkkokalvovaurio on mahdollinen vain, jos valaisin on suoraan työntekijän näkökentässä ja työntekijä joutuu työssään katsomaan suoraan säteilevään valaisimeen. Useimmilla tutkituilla valaisimilla vaurio syntyisi vasta jos valo osuu suoraan silmiin useiden kymmenien minuuttien ajan. Pitkäaikaista silmiin kohdistuvaa säteilyä voivat aiheuttaa esim. vaakasuoraan silmien korkeudella säteilevät LEDvalaisimet, jollaisia voidaan käyttää välivalotuksessa puutarhoilla mm. tomaatin ja paprikan tuotannossa (kuva 7). Tällaisessa tapauksessa suositeltavampi keino lisävalotuksen antamiseksi suoraan kypsyville hedelmille on sijoittaa valaisimet hieman poimittavien hedelmien yläpuolelle ja kohdistaa ne alaspäin, jolloin valo ei osu suoraan poimijan näkökenttään. 15

17 Kuva 8. Spektroradiometrimittaus käynnissä havupuiden taimikasvatuskokeessa, jossa käytössä on putkimaisia LED-valaisimia. Vaikka puolipyöreä valolähde valaisee myös sivuille, työntekijän kasvojen alapuolelle sijoitettuna siitä ei aiheudu silmävaurioriskiä. (valokuva Minna Kivimäenpää) Jos kasvihuoneessa käytetään tehokkaita kasviledejä, ja ne säteilevät ylhäältä tai silmien tasolta kohti työntekijää esim. tomaatinpoiminnassa, voi olla tarpeellista käyttää suojalaseja, jotka leikkaavat sinisen valon aallonpituudet pois. Suojalasien käyttö on entistä tärkeämpää, jos tehostettua siniviolettia valoa tai UV-aallonpituuksia aletaan käyttää kasvihuoneissa esim. kasvihuonevihannesten laadullisten ominaisuuksien parantamisessa. Edellä mainittu suositus valaisimien sijoittamisesta ja kohdistamisesta näkökentän alapuolella mahdollista olisi huomioitava aina kun se on mahdollista. Taimituotannossa ja matalampien kasvien viljelyssä kasvatusvalot ovat jo viljelyteknisesti sijoitettu niin, että niiden valo ei kohdistu suoraan silmiin. Katsekentän alapuolella olevien ja alaspäin suunnattujen valaisinten hajasäteily ei häikäise eikä aiheuta riskejä silmille (kuvat 8, 9). 16

18 Kuva 9. Parsakaalin ja ruusukaalin taimien kasvatusta tankomaisten LED-valaisimien alla. Alaspäin suunnatut valot, jotka eivät säteile sivulle, eivät myöskään aiheuta siniseen valoon liittyvää silmävaurion riskiä hoitotoimissa. (valokuva Jarmo Holopainen) LED-VALAISTUKSEN TULEVAISUUDEN MAHDOLLISUUDET LED-valaistuksella voidaan korvata nykyistä suurpainelamppuihin perustuvaa kasvihuonetuotantoa. Tämä mahdollistaa aivan uudenlaiset kasvatusratkaisut, joissa valolähde on lähellä kasvia. Tulevaisuudessa tarkoin suunnitellulla LED-valaistuksella voidaan vaikuttaa huomattavasti vihannesten ja muiden tuotteiden laadullisiin ominaisuuksiin kuten väriin, aromiin ja terveysvaikutteisiin bioaktiivisiin aineosiin. Valotuksella tulee olemaan merkitystä myös sadonkorjuuta seuraavassa tuotantoketjun post harvest vaiheessa tuottajalta myymälään. Valotusta voidaan antaa tuoretuotteiden varastoinnin aikana, mutta myös myymälässä, jossa tuotteet ovat tarjolla kuluttajille. Tämän tekniikan hyödyntäminen edellyttää kuitenkin vielä runsaasti valobiologista tutkimusta ja ledeihin liittyvää jatkuvaa tuotekehitystä. 17

19 LED-valaistuksen vaikutus kasvatusteknologiaan Kasvihuoneissa käytettyinä spektreiltään painotetut LED-valaisimet saattavat oleellisesti vähentää monimetallilamppujen ja korkeapainenatrium lamppujen käyttöön liittyvää valosaastetta intensiivisen kasvihuonetuotannon alueilla. LED-teknologia tulee vaikuttamaan monien kasvihuonekasvien kasvatukseen siten, että tuotantoa voidaan siirtää enenevässä määrin kasvihuoneista esim. teollisuushalleihin, jolloin voidaan puhua myös kasvitehtaista, plant factories, tai suljetuista kasvintuotantoyksiköistä. Näissä lämmityskustannukset kylminä vuodenaikoina ovat selvästi alhaisemmat kuin kasvihuoneissa. LED-valaisimia voidaan käyttää suhteellisen lähellä kasveja. Tämä mahdollistaa monikerroskasvatuksen, jota on perinteisesti käytetty taimikasvatuksessa loisteputkivalaisimien avulla. Taimet kasvatetaan hyllytasoilla ja valaisimet sijoitetaan yläpuolella olevan hyllyn alle. Tarkoitusta varten on saatavissa kerroskasvatusyksiköitä. LEDvalaisimien avulla valotuksen energiakulutusta saadaan tippumaan jopa 60%, jolloin myös poteissa myytävien ruukkuvihannesten, -yrttien ja koristekasvien tuotannossa monikerroskasvatuksen soveltaminen tulee kannattavaksi. LED-valaistus ja EU:n biotalousstrategia EU:n biotalousstrategia tähtää nykyistä vähähiilisempään kasvintuotantoon, jossa energiankulutus tulee olemaan selvästi nykyistä alhaisempaa ja ympäristölle koituvat haitat esim. hiilidioksidipäästöinä ja raskasmetalleja sisältävinä jätteinä ovat minimoitu. LEDvalaistukseen siirtyminen katetussa kasvintuotannossa toteuttaa täysin tätä strategiaa. Tulevaisuudessa etenkin kesäkauden ulkopuolella tapahtuva kasvihuonetuotanto kannattanee siirtää muihin suljettuihin tiloihin, joissa lämpöhävikki on selvästi pienempää kuin kasvihuoneissa. Kesäaikaan auringonpaisteesta johtuva jäähdytystarve vähenee suljetuissa tiloissa myös, kun kasvihuoneilmiötä ei muodostu kasvatustiloihin. 18

20 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET Tässä julkaisussa on tuotu esille LED-valotukseen liittyvää tekniikkaa ja niiden mahdollisuuksia lasinalaisessa ja muussa katetussa kasvintuotannossa. Tutkimustiedon ollessa toistaiseksi hyvin vähäistä esim. eriväristen ledien vaikutuksista kasvihuonekasvien kasvuun ja laadullisiin ominaisuuksiin ei kovin pitkälle meneviä johtopäätöksiä vielä voida tehdä. Jo tämän hetkisen tietämyksen pohjalta voidaan todeta, että uusi valaistustekniikka tuo tuotantoon runsaasti muitakin mahdollisuuksia kuin energian käytön tehostamisen. Lisäksi on esitelty alustavia tuloksia kasviledien muodostamasta riskistä silmille. Asian selvittäminen vaatii kuitenkin vielä perusteellisempia tutkimuksia usealla eri valaisintyypillä, ja lisäksi työntekijän todellista altistumista jäljitteleviä mittauksia, jotta esimerkiksi ledeillä toteutettavaa välivalotusta tomaatin ja kurkun viljelyssä voidaan kehittää turvalliseksi. Tiivistäen voidaan todeta että LED kasvivalojen edut verrattuna nykyisiin kasvihuonevalaisimiin ovat: parempi energiatehokkuus ja vähäisempi energian tarve valaistukseen alentunut valosaasten määrä paremmin kasvin toimintaan kohdistettujen spektrien avulla suurempi mahdollisuus muokata valojen koostumusta kullekin viljelykasville ja lajikkeelle sopivaksi ja siten vaikuttaa kasvien kasvuun ja myyntiin tulevien tuorekasvisten sisäiseen laatuun LED-tekniikkaa liittyvät riskit ovat tällä hetkellä tiivistettävissä seuraavasti: voimakkaat siniset ledit voivat aiheuttaa silmävaurioriskin, jos ne sijoitetaan suoraan työntekijän näkökenttään ja säteilylle joutuu altistumaan pitempiä aikoja eri viljelykasvit vaativat oman valo-ohjelmansa kasvun optimoimiseksi ja tällaisia ei ole kaikille kasvihuonekasveille vielä kaikilla valaisimien tuottajilla tarjolla valospektrin muokkaus esim. terveysvaikutteisten yhdisteiden lisäämiseksi voi lisätä joissain viljelykasveissa myös terveydelle haitallisten kasviperäisten yhdisteiden määriä 19

21 KIRJALLISUUTTA Anderson J LED-valaistus kasvihuoneisiin. Diplomityö. Aalto yliopisto, Tekninen korkeakoulu. 36 s. Ballaré CL Light Regulation of Plant Defense. Annual Review of Plant Biology. 65: Colquhoun TA, Schwieterman ML, Gilbert JL, Jaworski EA, Langer KM, Jones CR, Rushing GV, Hunter TM, Olmstead J, Clark DG, Folta KM Light modulation of volatile organic compounds from petunia flowers and select fruits. Postharvest Biology and Technology 86: Eilert U Induction of alkaloid biosynthesis and accumulation in plants and in vitro cultures in response to elicitation. Teoksessa Alkaloids. Biochemistry, Ecology, and Medicinal Applications, toim. Roberts M. F., Wink M. Plenum Press, New York. s Heo JW, Lee CW, paek KY Influence of mixed LED radiation on growth of annual plants. Journal of Plant biology 49: Johansen NS, Vänninen I, Pinto DM, Nissinen AI, Shipp L In the light of new greenhouse technologies: 2. Direct effects of artificial lighting on arthropods and integrated pest management in greenhouse crops. Annals of Applied Botany 159: Kozai T R esource use efficiency of closed plant production system with artificial light: Concept, estimation and application to plant factory Proceedings of Japan Academy, Series B Physical and Biological Sciences 89: Mitchell, C.A., Both, A.J., Bourget, C.M., Burr, J.F., Kubota, C. Lopez, R.G., Morrow, R.C., Runkle, E.S LEDs: The future of greenhouse lighting! Chronica Horticulturae 52: Olle M, Viršilė A The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality. Agricultural and food science 22: Siipola SM. Kotilainen T, Sipari N, Morales LO, Lindfors AV, Robson TM, Aphalo PJ Epidermal, UV-A absorbance and whole-leaf flavonoid composition in pea respond more to solar blue light than to solar UV radiation. Plant, Cell Environ., DOI /pce Taulavuori K, Julkunen-Tiitto R, Hyöky V, Taulavuori E Blue mood for superfood. Natural product communications 8: Vänninen, I., Pinto, D.M., Nissinen, A.I., Johansen, N.S., Shipp, L In the light of new greenhouse technologies: 1. Plant-mediated effects of artificial lighting on arthropods and tritrophic interactions. Ann Appl Biol 157: