La photosynthèse est-elle soutenue parLumières LED?
La source de lumière naturelle qui alimente la végétation terrestre depuis des milliards d'années, la lumière du soleil, est fréquemment liée à la photosynthèse, le processus par lequel les plantes transforment l'énergie lumineuse en énergie chimique pour favoriser leur développement. Mais à mesure que les villes se développent, que le jardinage intérieur devient plus populaire et que les méthodes agricoles évoluent vers des environnements contrôlés (comme les fermes verticales), la question se pose : les sources de lumière artificielle comme les lumières LED peuvent-elles favoriser la photosynthèse ? Oui, sans aucun doute, mais l’efficacité dépend de la connaissance de la manière dont les plantes utilisent la lumière, des caractéristiques des LED et d’un réglage méticuleux des conditions d’éclairage. Afin d'étudier cela, nous devons d'abord décortiquer les principes fondamentaux de la photosynthèse, puis examiner comment les LED s'intègrent aux besoins lumineux des plantes, puis discuter des utilisations et des problèmes pratiques.
La capacité des plantes à utiliser des pigments comme les caroténoïdes, la chlorophylle a et la chlorophylle b pour absorber des longueurs d’onde lumineuses particulières est la composante fondamentale de la photosynthèse. Le pigment principal, la chlorophylle a, est le plus efficace pour absorber la lumière dans deux gammes de longueurs d'onde : le spectre rouge (600 à 700 nm) et le spectre bleu (400 à 500 nm). Les caroténoïdes absorbent la lumière bleue - verte et protègent les plantes des dommages causés par la lumière, tandis que la chlorophylle B améliore cela en absorbant un peu plus de lumière bleue et orange. La raison pour laquelle les feuilles apparaissent vertes à l’œil humain est que les plantes consomment très peu de lumière verte (500 à 600 nm), la majorité de celle-ci étant réfléchie. Bien que l'ensemble du spectre de la lumière visible soit fourni par la lumière du soleil, les plantes n'utilisent que les parties bleues et rouges, appelées plage de « rayonnement photosynthétiquement actif » (PAR). Cette prise de conscience cruciale est essentielle à la technologie LED : même sans reproduire tout le spectre du soleil, les LED peuvent faciliter la photosynthèse si elles peuvent émettre de la lumière dans les zones PAR rouge et bleue.
LEDsont particulièrement bien-adaptés à la photosynthèse en raison de leur capacité exceptionnelle à cibler des longueurs d'onde particulières. Les LED peuvent être conçues pour émettre des bandes de lumière étroites exactement dans les plages bleues et rouges, contrairement aux tubes fluorescents (qui émettent du PAR mais aussi de la lumière verte et jaune inutile) ou aux ampoules à incandescence (qui émettent une lumière à large spectre - mais perdent la plus grande partie de l'énergie sous forme de chaleur). Les LED bleues à haute efficacité, par exemple (qui utilisent des semi-conducteurs InGaN, comme mentionné précédemment), émettent de la lumière entre 450 et 470 nm, une longueur d'onde qui est facilement absorbée par la chlorophylle a et b. À 660-670 nm, qui est également une autre plage d’absorption maximale pour la chlorophylle a, les LED rouges, qui sont généralement composées d’arséniure d’aluminium et de gallium (AlGaAs) ou de phosphure d’arséniure de gallium (GaAsP), émettent de la lumière. Les producteurs peuvent produire un spectre lumineux « personnalisé » qui répond aux exigences photosynthétiques de leurs plantes en combinant des LED bleues et rouges dans un certain rapport, généralement 1:3 à 1:5 bleu-à-rouge, selon la variété de plante. Les LED sont jusqu'à 80 % plus économes en énergie-que les ampoules à incandescence, ce qui constitue un énorme avantage pour l'agriculture en intérieur où les coûts d'éclairage constituent une dépense importante. Cette approche ciblée garantit non seulement que les plantes reçoivent la lumière dont elles ont besoin, mais minimise également le gaspillage d'énergie.
La capacité des LED à favoriser la photosynthèse-et, dans certaines situations, à surpasser la lumière naturelle du soleil-a été systématiquement vérifiée par des études scientifiques. Une étude de 2018 comparant la croissance de la laitue sous rouge-bleuÉclairage LEDà la lumière du soleil a été publié dans Scientia Horticulturae. Selon les résultats, la laitue cultivée à l’aide de LED contenait 20 % plus de biomasse (poids total de la plante) et plus d’antioxydants que la laitue produite au soleil. Cela est dû au fait que les LED offrent un contrôle exact sur le spectre, la durée et l'intensité de la lumière-, qui varient tous dans des environnements naturels. Par exemple, la photosynthèse est ralentie les jours nuageux lorsque l’intensité du soleil diminue. Les producteurs peuvent utiliser des LED pour maintenir un niveau de lumière constant (mesuré en micromoles par mètre carré par seconde, ou μmol/m²/s) idéal pour le stade de croissance de la plante. La « photopériode », ou nombre d’heures de lumière chaque jour, peut également être modifiée. Par exemple, les légumes-feuilles comme les épinards nécessitent 12 à 16 heures de lumière pour s'épanouir, tandis que les plantes à fleurs comme les tomates nécessitent des photopériodes plus courtes pour démarrer la floraison. Dans les fermes verticales ou les tentes de culture, les LED maximisent l'absorption de la lumière et l'efficacité de l'espace en produisant moins de chaleur que les autres sources lumineuses, ce qui leur permet d'être positionnées plus près des plantes sans brûler leurs feuilles.
Étant donné que les LED sont réglables, elles peuvent être ajustées pour répondre aux différents besoins en lumière des différentes espèces végétales. Puisque leur croissance est centrée sur le développement de leur feuillage, les légumes-feuilles (laitue, chou frisé et épinards) nécessitent avant tout une lumière bleue et rouge. Un simple agencement de LED rouge - bleu est adéquat et à un prix raisonnable pour ces plantes. Cependant, l'ajout de petites quantités de lumière verte ou rouge lointain (700 à 800 nm) à l'éclairage peut aider les plantes qui fleurissent et portent des fruits, comme les tomates, les poivrons et les roses. Par exemple, la lumière rouge lointaine aide à contrôler la « photomorphogenèse », ou la façon dont les plantes réagissent à la lumière en faisant pousser des éléments tels que la longueur de la tige et le début de la fleur. . 10 % de lumière rouge lointaine ajoutée à un spectre LED rouge - bleu a amélioré le rendement des tomates de 15 % en encourageant la formation de fleurs, selon une étude de 2020 publiée dans Plant Physiology. Les LED peuvent aider même les plantes qui aiment la lumière faible--, telles que les plantes d'intérieur communes comme les pothos ou les plantes serpents, qui peuvent survivre dans des espaces sans soleil naturel grâce à une lampe LED rouge bleue-rouge de faible -intensité qui peut offrir suffisamment de PAR pour les garder en bonne santé. En raison de leur adaptabilité, les LED sont non seulement parfaites pour l'agriculture industrielle, mais aussi pour les jardiniers amateurs qui souhaitent cultiver des plantes d'intérieur ou des herbes aromatiques toute l'année.
Même si les LED sont assez efficaces pour la photosynthèse, il y a quelques points à garder à l’esprit pour en tirer le meilleur parti. Premièrement, l’intensité lumineuse doit être adaptée aux besoins de la plante. Par exemple, les plantes adultes peuvent avoir besoin de 400 à 600 μmol/m²/s pour une croissance maximale, tandis que les semis nécessitent une intensité plus faible (100 à 200 μmol/m²/s) pour éviter le stress. À mesure que la plante vieillit, les agriculteurs peuvent modifier l’intensité en utilisant des LED dotées de capacités de gradation. Le deuxième facteur crucial est le rapport spectral : trop de lumière rouge peut donner des plantes faibles et élancées, tandis qu'une trop grande lumière bleue entravera la croissance (feuilles fines, tiges courtes). Il est crucial de tester différents ratios pour chaque espèce, tels que 1:4 bleu-à-rouge pour la laitue et 1:3 pour les tomates. Troisièmement, les LED à gestion thermique-haute-puissance, qui sont utilisées dans les fermes commerciales, peuvent néanmoins produire de la chaleur qui a un impact sur la température de l'usine et la durée de vie des LED, malgré le fait que les LED émettent moins de chaleur que les ampoules traditionnelles. Les luminaires LED peuvent éviter la surchauffe en ajoutant des ventilateurs ou des dissipateurs thermiques. Enfin, même si les dépenses énergétiques sont inférieures à celles de l'éclairage à incandescence ou fluorescent, elles peuvent quand même s'accumuler pour les entreprises à grande échelle. Les dépenses à long terme-peuvent être réduites en sélectionnant des LED à haute-efficacité, qui sont mesurées en lumens par watt (lm/W) ou en PAR par watt (μmol/J).
L'essor de l'agriculture d'intérieur et de l'agriculture verticale témoigne déjà des effets pratiques de la photosynthèse assistée par les LED-. Des milliers deLED rouges-bleuessont utilisés par des entreprises comme Plenty et AeroFarms pour cultiver des légumes-feuilles dans les villes, consommant 95 % d'eau en moins que l'agriculture conventionnelle et produisant des récoltes-toute l'année. Les LED permettent de produire des aliments localement dans des régions aux températures extrêmes, comme l’Arctique, où le soleil est rare pendant des mois, réduisant ainsi le besoin de légumes importés. Les études de la NASA visant à créer des systèmes alimentaires pour les voyages spatiaux prolongés (tels que les voyages vers Mars) utilisent également des LED pour faire pousser des plantes dans des conditions contrôlées. À plus petite échelle, les cultivateurs amateurs transforment les zones sombres en jardins fertiles en utilisant des lampes de culture à LED pour planter des légumes, des herbes et des micro-pousses dans les sous-sols ou les appartements. Ces utilisations montrent que les LED constituent une technologie révolutionnaire qui élargit la gamme de lieux et de méthodes de culture des plantes, en plus de constituer un substitut pratique à la lumière du soleil pour la photosynthèse.
Pour résumer,Lumières LEDpeuvent sans aucun doute contribuer à la photosynthèse, et elles peuvent le faire de manière plus efficace, plus précise et plus polyvalente que de nombreuses sources lumineuses conventionnelles. Les LED fournissent aux plantes la lumière précise dont elles ont besoin pour la photosynthèse en émettant certaines longueurs d'onde dans les plages PAR rouge et bleue. Les producteurs peuvent également modifier le spectre, l’intensité et la durée de la lumière en fonction des différentes espèces de plantes et des différents stades de croissance. Les LED peuvent augmenter la croissance, le rendement et la qualité des plantes, selon des études scientifiques et des applications pratiques (telles que les jardins familiaux et les fermes verticales). Bien qu'il y ait des facteurs à prendre en compte, comme le contrôle de la chaleur et l'optimisation de l'intensité lumineuse, ceux-ci peuvent être facilement résolus grâce à une conception soignée. La contribution de la technologie LED à la photosynthèse ne fera qu'augmenter à mesure qu'elle se développe (en termes de coût, d'efficacité et de réglage du spectre), ouvrant ainsi la porte à une agriculture plus accessible, productive et durable à l'avenir.
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