Fonti luminose artificiali

Ad oggi sono molteplici le lampade in commercio sviluppate per fornire luce supplementare alle colture in serra, al fine di controllare lo sviluppo delle piante e manipolarne la qualità. La limitazione maggiore che accomuna tutte le lampade è che nessuna di esse sia in grado di fornire uno spettro luminoso che si avvicini significativamente a quello reale del Sole, sia in termini qualitativi che quantitativi.

Convenzionalmente è possibile raggrupparle in 4 categorie (Fig. 20):

 Lampade a incandescenza

 Lampade a fluorescenza

 Lampade a scarica ad alta pressione

26  Lampade LED

Figura 20. Fonti luminose: a incandescenza, fluorescenza, a scarica ad alta pressione e LED

Lampade a incandescenza: tipicamente emettono luce in seguito al surriscaldamento di un

filamento di tungsteno a 2500°C. A tale temperatura lo spettro di emissione comprende una vasta parte dello spettro visibile. Soltanto il 15% dell’energia emessa è rappresentata dalla PAR (photosynthetically active radiation, 400-700 nm). Il 75% è rappresentato da radiazioni infrarosse (850-2700 nm) e il restante 10% viene dissipato sottoforma di calore (> 2700 nm). Essendo dotate di scarsa efficienza e di una emivita piuttosto limitata, le lampade a incandescenza non risultano vantaggiose come supporto alla fotosintesi. Ma in ogni caso esse sono utilizzate come photoperiod lighting, in quanto sono economiche da installare, possono essere spente e riaccese di frequente e hanno alte percentuali di luce rossa e infrarossa. L’applicazione più comune di tali lampade è il night break, ovvero l’interruzione della notte che viene dunque suddivisa in due o più brevi cicli di buio, simulando una maggiore durata del giorno e inducendo risposte fisiologiche nella pianta. Tale pratica favorisce la fioritura nelle specie longidiurne o posticipa la fioritura delle brevidiurne.

Lampade a fluorescenza: emettono luce come conseguenza dell’eccitazione di vapore di

mercurio a bassa pressione in una miscela di gas inerti. Un alto voltaggio applicato agli elettrodi ai due lati del tubo luminoso, crea una scarica elettrica nella miscela di gas che induce l’eccitazione degli ioni di mercurio, che a loro volta emettono delle radiazioni a basse lunghezze d’onda (principalmente UV) nel decadimento allo stato basale. Rivestimenti speciali fluorescenti delle pareti di vetro della lampada vengono attivati dalle radiazioni emesse dal mercurio, producendo a loro volta uno spettro visibile. Alterando la composizione del rivestimento fluorescente è possibile ottenere variazioni nello spettro. Le lampade a fluorescenza sono da

27 considerarsi più efficienti di quelle a incandescenza e possiedono anche una durata maggiore. Inoltre emettono minor calore ed un quantitativo di radiazione nel range della PAR più elevato. Le luci a fluorescenza sono utilizzate generalmente per le fasi germinative ma non come luci supplementari in serra in quanto determinano fisicamente un ombreggiamento eccessivo delle colture.

Lampade a scarica ad alta pressione (HID): si tratta di lampade simili a quelle a fluorescenza

in quanto alla base dell’emissione luminosa vi è la generazione di una scarica elettrica in una miscela elementare di gas. Lo spettro risultante dipende dalle caratteristiche dei gas presenti. La differenza rispetto alle lampade a fluorescenza è rappresentata dall’assenza di polveri fluorescenti di rivestimento nonché dai più elevati valori di pressione di vapore e temperatura cui vengono sottoposti i gas. Tali lampade mostrano una efficienza e una intensità superiore alle lampade a fluorescenza. Le tipologie più utilizzate in orticoltura sono le lampade ad alogenuri metallici (metal-halide) e quelle ai vapori di sodio ad alta pressione (HPS).

Le lampade ad alogenuri metallici forniscono un ottimale spettro luminoso continuo ma la regione della PAR è rappresentata soprattutto da lunghezze rosse e gialle.

Le lampade HPS sono divenute le più famose a livello commerciale per la coltivazione delle piante. Gran parte dello spettro di emissione è rappresentato da lunghezze d’onda nel range della PAR, soprattutto tra 500 e 650 nm (giallo-arancio-rosso) mentre la percentuale di blu è molto bassa. Qualora vogliano essere utilizzate come replacement light, esse necessitano dell’associazione con altre lampade (fluorescenti, a vapori di mercurio etc..) che abbiano alte emissioni nella banda della luce blu. Come luci supplementari nelle serre invece appaiono idonee, in quanto negli ambienti naturali il quantitativo di luce blu disponibile è già sufficiente a sostenere le risposte morfogeniche delle piante blu-dipendenti.

Luci LED: LED è un acronimo per Light-Emitting Diode (diodo ad emissione di luce). Il primo

LED è stato sviluppato da Nick Holonyak Jr. nel 1962.

Un LED è per definizione un diodo che emette luce. Un diodo è un dispositivo elettronico a due terminali che consente il passaggio di corrente elettrica in una sola direzione, con l’entità della corrente che dipende dalla differenza di potenziale ai capi del dispositivo. Dal punto di vista fisico, un LED è un chip di materiale semiconduttore impregnato o drogato con impurità per formare una giunzione positivo-negativo (P-N): il polo positivo di tale giunzione è chiamato anodo, quello negativo catodo (Bisegna et al., 2010).

28 I LED sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

I LED convenzionali sono composti da vari materiali inorganici che producono i seguenti colori:

 AlGaAs - rosso ed infrarosso

 GaAlP - verde

 GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo

 GaN - verde e blu

 GaP - rosso, giallo e verde

 ZnSe - blu

 InGaN - blu-verde, blu

 InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde

 SiC come substrato - blu

 Diamante (C) - ultravioletto

 Silicio (Si) come substrato - blu (in sviluppo)

 Zaffiro (Al2O3) come substrato – blu

L’illuminazione a LED si è molto sviluppata negli ultimi anni grazie agli innumerevoli vantaggi che presenta rispetto al classico sistema di illuminazione con lampade fluorescenti:

 durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore)

 assenza di costi di manutenzione • elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene)

 luce pulita perché priva di componenti IR e UV

 facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica

 colori saturi

 possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme)

 funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc)

 accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi

 insensibilità a umidità e vibrazioni

29  assenza di mercurio

 durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti

1.1.3.1.1. Coltivazioni in ambiente controllato sotto luci LED

La possibilità di coltivare le piante sotto luci artificiali ha affascinato l’uomo fin dall’inizio del XX secolo. Basti pensare che già nel 1922 venivano pubblicati articoli inerenti tale argomento, come Growth of plants in Artificial lights, scritto da Harvey nel 1922, in cui l’autore afferma che “la produzione di piante sotto lampade artificiali è una possibilità di grande interesse economico in Minnesota ed in località simili, laddove le giornate risultano essere così brevi e la luce del sole di così bassa intensità nel corso dell’inverno, che risulta difficile coltivare piante in serra” (Harvey, 1922).

Nel corso del ‘900, vi sono stati molteplici casi di vivai in cui le luci artificiali siano state utilizzate per modificare la durata del giorno, fornire luce supplementare in inverno o per sostituire la luce solare, nel caso di camere di crescita. Ma i limiti delle fonti luminose tradizionali, in particolare il forte dispendio energetico ed il calore sviluppato, hanno impedito una espansione su vasta scala di tali applicazioni.

L’introduzione dei LED ha segnato un punto di svolta, in virtù dei minori consumi energetici e della minore produzione di calore (Yeh e Chung, 2009). Al di là della convenienza economica, i LED si sono mostrati più performanti delle lampade HPS anche in termini di effetto sulla crescita dei semenzali, sia su conifere che latifoglie (Apostol et al., 2015; Tennessen et al., 1994; Yeh e Chung, 2009, Astolfi et al., 2012).

I maggiori studi sull’analisi della crescita delle piante sotto luci LED sono stati inizialmente intrapresi dai laboratori della NASA, data l’esigenza, nel corso di lunghe missioni nello spazio, di disporre di cibo fresco (Massa et al., 2006). Una delle ricerche in corso è quella finalizzata allo sviluppo di metodiche di coltivazione su Marte (missione prevista per il 2030). Nel corso di prolungate missioni spaziali o in ambienti extraterrestri, le piante possono avere l’ulteriore vantaggio di produrre ossigeno, consentire la purificazione dell’acqua e il riciclaggio dei rifiuti (Yorio et al., 2001).

Essendo i LED monocromatici, inizialmente sono state utilizzate combinazioni di led rossi e blu, con picchi vicini ai massimi di assorbimento delle clorofilla, così da favorire la fotosintesi. Ma numerosi studi hanno dimostrato la necessità di introdurre ulteriori lunghezze d’onda per assicurare un corretto sviluppo delle piante.

30 L’introduzione supplementare di LED verdi si è rivelata in tal senso vantaggiosa (Mickens e Wheeler, 2012) ma l’obiettivo fondamentale per ottenere piante sane e robuste è quello di mettere a punto una lampada in grado di emettere uno spettro continuo ad hoc per la crescita delle piante. La qualità spettrale dei LED può infatti determinare effetti drammatici a livello di anatomia e morfologia così come nell’uptake di nutrienti e nella produzione di nutrienti (Massa et al., 2008). La possibilità di combinare LED monocromatici a costituire lampade complesse ha condotto alla possibilità di generare spettri continui di qualità differente, studiati sulla base delle esigenze luminose delle piante. Una delle aziende più attive nella ricerca dello spettro ideale per la coltivazione delle piante è la Valoya (Helsinki). L’unicità dei LED della Valoya è quello di emettere spettri continui, combinando tra loro un elevato numero di LED monocromatici. Se confrontati con lo spettro naturale del Sole, tali spettri artificiali mostrano alcune aree soppresse ed altre enfatizzate, in funzione dei picchi di assorbimento dei fotorecettori delle piante. Inoltre ogni spettro differisce dagli altri per la posizione e l’entità dei picchi, in funzione degli obiettivi che ci si prefigge (favorire un incremento della biomassa, dell’ altezza, della produzione di pigmenti secondari etc.). L’evoluzione di questi spettri si basa su una continua ricerca che vede come parte attiva clienti privati, Università ed Enti di ricerca che, utilizzando tali spettri prototipali per la coltivazione delle proprie piante, forniscono di ritorno i propri dati ai biologi Valoya, così da introdurre delle modifiche nella composizione dello spettro volte a migliorarne le prestazioni in termini di qualità delle piante prodotte.