5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
1.2.3. Bột huỳnh quang trong chiếu sáng nông nghiệp
Hình 1.10. Hấp thụ và phản xạ ánh sáng trắng của lá cây[47]
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào lá cây, hầu hết các bước sóng trong ánh sáng trắng bị hấp thụ, trừ bước sóng đặc trưng cho màu xanh, do đó ta nhìn
thấy lá cây có màu xanh. Hình 1.10 mô tả sự hấp thụ và phản xạ ánh sáng trắng của lá cây, qua đó, giải thích lý do quan sát thấy lá cây có màu xanh.
Quang hợp là quá trình chính giúp cây sinh trưởng và phát triển. Trong quá trình quang hợp của cây, diệp lục là sắc tố chính đóng vai trò quan trọng nhất. Diệp lục hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời chiếu vào. Đây là tiền đề để diễn ra phản ứng quang hợp. Không có diệp lục, phản ứng quang hợp không thể diễn ra. Diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng một cách chọn lọc, một số vùng ánh sáng được diệp lục hấp thụ mạnh nhất, một số vùng hấp thụ ít hơn và có vùng thì hầu như không bị hấp thụ.
Hình 1.11 mô tả phổ hấp thụ quang hợp của lá cây.
Hình 1.11. Phổ hấp thụ quang hợp của lá cây [48]
Trong hình 1.11, diệp lục A là một trong những sắc tố quang hợp chính được tìm thấy trong cây xanh và hấp thụ ánh sáng có bước sóng 660 nm (đỏ) trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Ngoài ra, nó còn có đỉnh hấp thụ thứ hai trong vùng màu xanh dương (400 - 450nm).
chính được tìm thấy trong thực vật màu xanh lá cây. Phổ hấp thụ có hai đỉnh nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy khác với diệp lục A: 640nm (đỏ) và 425- 485nm (màu xanh dương).
Quang phổ hấp thụ của hai diệp lục này nằm trong vùng xanh dương và đỏ. Do đó, nếu cung cấp ánh sáng đỏ và xanh dương cho cây trồng thì quá trình quang hợp sẽ diễn ra tốt hơn, năng suất cây trồng được nâng cao.
Ngoài ra, trong lá cây còn có ba sắc tố cảm quang ánh sáng:
- Crytochrome là một flavoprotein có trong nhân thực vật có chức năng duy trì nhịp điệu sinh học của thực vật. Crytochrome hấp thụ ánh sáng trong vùng xanh dương (400 - 500nm) và vùng UV (nhỏ hơn 400nm).
- Phototropin, tương tự như Crytochrome, là một flavoprotein có trong nhân thực vật, giúp thực vật điều khiển quá trình hướng quang, tái phân bố lục lạp,…Phototropin hấp thụ ánh sáng trong vùng xanh dương (400-500 nm) và tia UV (nhỏ hơn 400nm). Mặc dù, đỉnh hấp thụ UV của Phototropin ít nhưng các nghiên cứu chỉ ra rằng Phototropin có chứa thành phần phản ứng với tia cực tím, góp phần bảo vệ thực vật.
- Cuối cùng là Phytochrome được tìm thấy trong nhân và tế bào chất của thực vật. Phytochrome có hai loại cấu trúc hóa học khác nhau: Pr hấp thụ ánh sáng đỏ (600 - 700nm) và Pfr hấp thụ ánh sáng đỏ xa (700 - 800nm). Phytochrome có vai trò trong tất cả các giai đoạn sống của thực vật, đặc biệt giúp thực vật có khả năng nhận biết được vị trí nhận nhiều ánh sáng, phân biệt sáng - tối, ngày - đêm. Do đó, chúng được xem như là mắt của thực vật.
Như vậy, có nhiều sắc tố cảm quang tìm thấy trong thực vật và mỗi sắc tố có một chức năng quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của thực vật. Vì vậy, chúng ta cần cung cấp tất cả các vùng phổ mà các sắc tố hấp thụ. Trong quang phổ hấp thụ của các sắc tố này, hai vùng hấp thụ mạnh nhất là đỏ và xanh dương.
Tóm lại, đối với thực vật, diệp lục và các sắc tố hấp thụ ánh sáng tốt nhất trong vùng đỏ và xanh dương. Như vậy việc cho ra đời loại đèn chiếu sáng đúng cường độ sáng cho từng loại cây trồng và đúng với bước sóng mà cây dùng để quang hợp chúng ta sẽ đạt được năng suất cây trồng cao, không bị lệ thuộc quá nhiều vào ánh sáng tự nhiên.
Đèn LED có thể đạt được bước sóng cần thiết cho quang hợp và có thể tạo ra bước sóng ánh sáng đỏ và xanh dương theo bột huỳnh quang và còn có hiệu suất chuyển đổi điện thành ánh sáng cao, dễ điều khiển, thân thiện với môi trường. Đó là lý do tại sao ngày nay càng có nhiều người dân chuyển sang sử dụng đèn LED để trồng cây. Để ứng dụng trong nông nghiệp thì bột huỳnh quang được quan tâm nghiên cứu là bột huỳnh quang phát ra ánh sáng đỏ hoặc xanh dương, trong đó, bột huỳnh quang phát ra ánh sáng đỏ được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn.
Các loại bột huỳnh quang phát quang ánh sáng đỏ đã được sử dụng trong đèn LED chiếu sáng nông nghiệp như: CaAlSiN3: Eu2+, SrAlSi4N7: Eu2+, M2Si5N8: Eu2+, MSiN2: Eu2+/Ce3+ với (M = Ca, Sr, Ba)...[7-19]. Tuy nhiên các loại bột huỳnh quang này có giá thành cao do công nghệ chế tạo sử dụng nhiều năng lượng và sử dụng nguyên vật liệu đầu vào là các vật liệu chứa gốc N và ion pha tạp các ion đất hiếm nên giá thành của đèn LED chiếu sáng trong nông nghiệp khá cao so với các đèn WLED sử dụng trong chiếu sáng thông thường. Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang bắt đầu nghiên cứu chế tạo các loại bột huỳnh quang phát quang ánh sáng đỏ sử dụng trong chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao nhằm giảm giá thành sản phẩm và có bước sóng phát quang phù hợp với vùng hấp thụ của cây trồng. Các bột huỳnh quang dựa trên các mạng nền gồm các ôxít kim loại pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp đang được quan tâm vì các loại bột huỳnh quang này cho phát quang trong vùng ánh sáng đỏ xa hoặc hồng ngoại gần và chúng đáp ứng các yêu cầu như mong
muốn.
Hiện nay, đèn LED được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và có khá nhiều các loại đèn khác nhau như đèn LED dây, đèn led tuýp,… Điều này phù hợp đối với các nhu cầu sử dụng khác nhau của người nông dân, tuy nhiên một số loại đèn LED đem lại hiệu quả chưa cao.
Hình 1.12 mô tả đèn LED sử dụng trong chiếu sáng nông nghiệp hiện nay.
Hình 1.12. Đèn LED sử dụng trong chiếu sáng nông nghiệp hiện nay.
Các đèn LED sử dụng để chiếu sáng trong nông nghiệp hiện nay thường được cấu tạo gồm có các LED blue và LED red kết hợp với nhau như hình 1.12. Việc sử dụng hệ thống đèn như trên tạo ra các vùng ánh sáng đỏ và xanh xen kẽ nhau. Như vậy, cây trồng sẽ hấp thụ ánh sáng theo từng vùng riêng biệt: có vùng cây chỉ nhận được ánh sáng đỏ và có vùng chỉ nhận được ánh sáng xanh. Chính việc hấp thụ ánh sáng theo vùng làm cho cây trồng không hấp thụ đủ ánh sáng cần thiết cho sự phát triển. Vì thế, cần phải nghiên cứu chế tạo đèn LED một màu có vùng phát xạ phù hợp với vùng
hấp thụ cây trồng (vùng màu đỏ), hạn chế sản xuất hệ thống các đèn LED khác màu xen kẽ nhau.