Autores: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Fonte: Tecnologia de Engenharia Agrícola (horticultura em estufa)

A fábrica de plantas combina indústria moderna, biotecnologia, hidroponia com nutrientes e tecnologia da informação para implementar um controle de alta precisão dos fatores ambientais nas instalações. Totalmente fechada, com baixas exigências em relação ao meio ambiente circundante, reduz o período de colheita, economiza água e fertilizantes e, com as vantagens da produção sem pesticidas e sem geração de resíduos, a eficiência de uso da terra por unidade é de 40 a 108 vezes maior do que a produção a céu aberto. Dentre os fatores, a fonte de luz artificial inteligente e a regulação do ambiente luminoso desempenham um papel decisivo na eficiência da produção.

Como um importante fator ambiental físico, a luz desempenha um papel fundamental na regulação do crescimento vegetal e do metabolismo de materiais. "Uma das principais características da fábrica de plantas é a fonte de luz totalmente artificial e a implementação da regulação inteligente do ambiente luminoso" tornou-se um consenso geral no setor.

Necessidade de luz para as plantas

A luz é a única fonte de energia para a fotossíntese das plantas. A intensidade luminosa, a qualidade da luz (espectro) e as variações periódicas da luz têm um impacto profundo no crescimento e desenvolvimento das culturas, sendo a intensidade luminosa o fator que mais influencia a fotossíntese.

■ Intensidade da luz

A intensidade da luz pode alterar a morfologia das culturas, como floração, comprimento dos entrenós, espessura do caule e tamanho e espessura das folhas. As necessidades de intensidade luminosa das plantas podem ser divididas em plantas heliófilas, plantas com tolerância moderada à luz e plantas com baixa tolerância à luz. As hortaliças são, em sua maioria, plantas heliófilas, e seus pontos de compensação e saturação de luz são relativamente altos. Em estufas de cultivo com luz artificial, as necessidades de intensidade luminosa das culturas são uma base importante para a seleção de fontes de luz artificial. Compreender as necessidades luminosas de diferentes plantas é fundamental para o projeto de fontes de luz artificial e extremamente necessário para melhorar o desempenho produtivo do sistema.

■ Qualidade da luz

A distribuição espectral da qualidade da luz também exerce uma influência importante na fotossíntese e na morfogênese das plantas (Figura 1). A luz é um tipo de radiação, e a radiação é uma onda eletromagnética. As ondas eletromagnéticas possuem características ondulatórias e características quânticas (de partículas). O quantum de luz é chamado de fóton na área da horticultura. A radiação com comprimento de onda entre 300 e 800 nm é denominada radiação fisiologicamente ativa das plantas; e a radiação com comprimento de onda entre 400 e 700 nm é denominada radiação fotossinteticamente ativa (RFA) das plantas.

A clorofila e os carotenos são os dois pigmentos mais importantes na fotossíntese das plantas. A Figura 2 mostra o espectro de absorção de cada pigmento fotossintético, no qual o espectro de absorção da clorofila se concentra nas bandas vermelha e azul. O sistema de iluminação baseia-se nas necessidades espectrais das culturas para suplementar artificialmente a luz, de modo a promover a fotossíntese das plantas.

■ fotoperíodo
A relação entre a fotossíntese e a fotomorfogênese das plantas e a duração do dia (ou fotoperíodo) é chamada de fotoperiodicidade. A fotoperiodicidade está intimamente relacionada às horas de luz, que se referem ao tempo em que a cultura é irradiada pela luz. Diferentes culturas requerem um certo número de horas de luz para completar o fotoperíodo necessário para florescer e frutificar. De acordo com os diferentes fotoperíodos, as plantas podem ser divididas em culturas de dia longo, como o repolho, que requerem mais de 12 a 14 horas de luz em um determinado estágio de crescimento; culturas de dia curto, como cebola e soja, que requerem menos de 12 a 14 horas de iluminação; e culturas de sol médio, como pepino, tomate e pimentão, que podem florescer e frutificar sob luz solar mais longa ou mais curta.
Dentre os três elementos do ambiente, a intensidade da luz é uma base importante para a seleção de fontes de luz artificial. Atualmente, existem muitas maneiras de expressar a intensidade da luz, sendo as três principais as seguintes.
(1) A iluminação refere-se à densidade superficial do fluxo luminoso (fluxo luminoso por unidade de área) recebido no plano iluminado, em lux (lx).

(2) Radiação fotossinteticamente ativa, PAR, Unidade: W/m².

(3) A densidade de fluxo de fótons fotossinteticamente efetivos (PPFD ou PPF) é a quantidade de radiação fotossinteticamente efetiva que atinge ou atravessa uma unidade de tempo e uma unidade de área, unidade: μmol/(m²·s). Refere-se principalmente à intensidade luminosa de 400 a 700 nm diretamente relacionada à fotossíntese. É também o indicador de intensidade luminosa mais comumente usado na área de produção vegetal.

Análise da fonte de luz de um sistema típico de iluminação suplementar.
A iluminação artificial suplementar visa aumentar a intensidade luminosa na área desejada ou prolongar o tempo de exposição à luz, através da instalação de um sistema de iluminação suplementar que atenda à demanda luminosa das plantas. De modo geral, o sistema de iluminação suplementar inclui o equipamento de iluminação suplementar, os circuitos e o sistema de controle. As fontes de luz suplementar incluem principalmente alguns tipos comuns, como lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes, lâmpadas de iodetos metálicos, lâmpadas de sódio de alta pressão e LEDs. Devido à baixa eficiência elétrica e óptica das lâmpadas incandescentes, à baixa eficiência energética fotossintética e a outras desvantagens, elas foram descontinuadas no mercado, portanto, este artigo não fará uma análise detalhada delas.

■ Lâmpada fluorescente
As lâmpadas fluorescentes pertencem à categoria de lâmpadas de descarga de gás de baixa pressão. O tubo de vidro é preenchido com vapor de mercúrio ou gás inerte, e a parede interna do tubo é revestida com pó fluorescente. A cor da luz varia de acordo com o material fluorescente presente no revestimento do tubo. As lâmpadas fluorescentes apresentam bom desempenho espectral, alta eficiência luminosa, baixo consumo de energia, vida útil mais longa (12.000 horas) em comparação com as lâmpadas incandescentes e custo relativamente baixo. Como a lâmpada fluorescente emite menos calor, ela pode ser posicionada próxima às plantas para iluminação, sendo adequada para o cultivo tridimensional. No entanto, a distribuição espectral da luz emitida pela lâmpada fluorescente é complexa. O método mais comum no mundo consiste em adicionar refletores para maximizar a intensidade da luz emitida pelas plantas na área de cultivo. A empresa japonesa Adv-Agri também desenvolveu um novo tipo de fonte de luz suplementar, a HEFL. A HEFL, na verdade, pertence à categoria de lâmpadas fluorescentes. É o termo geral para lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (CCFL) e lâmpadas fluorescentes de eletrodo externo (EEFL), sendo também um tipo de lâmpada fluorescente com eletrodos mistos. O tubo HEFL é extremamente fino, com um diâmetro de apenas cerca de 4 mm, e o comprimento pode ser ajustado de 450 mm a 1200 mm de acordo com as necessidades do cultivo. Trata-se de uma versão aprimorada da lâmpada fluorescente convencional.

■ Lâmpada de iodetos metálicos
A lâmpada de iodetos metálicos é uma lâmpada de descarga de alta intensidade que pode excitar diferentes elementos para produzir diferentes comprimentos de onda, adicionando vários iodetos metálicos (brometo de estanho, iodeto de sódio, etc.) no tubo de descarga, com base em uma lâmpada de mercúrio de alta pressão. As lâmpadas halógenas têm alta eficiência luminosa, alta potência, boa cor de luz, longa vida útil e amplo espectro. No entanto, como a eficiência luminosa é menor do que a das lâmpadas de sódio de alta pressão, e a vida útil também é menor, atualmente seu uso se restringe a algumas fábricas.

■ Lâmpada de sódio de alta pressão
As lâmpadas de sódio de alta pressão pertencem à categoria de lâmpadas de descarga de gás de alta pressão. Trata-se de uma lâmpada de alta eficiência na qual o tubo de descarga é preenchido com vapor de sódio sob alta pressão, com adição de pequenas quantidades de haleto de xenônio (Xe) e mercúrio. Devido à sua alta eficiência de conversão eletro-óptica e baixo custo de fabricação, as lâmpadas de sódio de alta pressão são atualmente as mais utilizadas na iluminação suplementar em instalações agrícolas. Contudo, devido à baixa eficiência fotossintética em seu espectro de luz, apresentam baixa eficiência energética. Além disso, os componentes espectrais emitidos pelas lâmpadas de sódio de alta pressão concentram-se principalmente na faixa de luz amarelo-alaranjada, não incluindo os espectros vermelho e azul necessários para o crescimento das plantas.

■ Diodo emissor de luz
Como uma nova geração de fontes de luz, os diodos emissores de luz (LEDs) apresentam muitas vantagens, como maior eficiência de conversão eletro-óptica, espectro ajustável e alta eficiência fotossintética. Os LEDs podem emitir a luz monocromática necessária para o crescimento das plantas. Comparados com lâmpadas fluorescentes comuns e outras fontes de luz suplementares, os LEDs oferecem vantagens como economia de energia, respeito ao meio ambiente, longa vida útil, luz monocromática, emissão de luz fria, entre outras. Com o aprimoramento contínuo da eficiência eletro-óptica dos LEDs e a redução de custos devido ao efeito de escala, os sistemas de iluminação LED para cultivo se tornarão os principais equipamentos para iluminação suplementar em instalações agrícolas. Como resultado, as luzes de LED para cultivo já são utilizadas em mais de 99,9% das fábricas de plantas.

Por meio da comparação, as características das diferentes fontes de luz suplementares podem ser claramente compreendidas, conforme mostrado na Tabela 1.

dispositivo de iluminação móvel
A intensidade da luz está intimamente relacionada ao crescimento das culturas. O cultivo tridimensional é frequentemente utilizado em estufas. No entanto, devido às limitações da estrutura das estantes de cultivo, a distribuição desigual de luz e temperatura entre as estantes afeta a produtividade e o período de colheita, que pode não ser sincronizado. Uma empresa em Pequim desenvolveu com sucesso, em 2010, um dispositivo manual de elevação para suplementação de luz (para luminárias HPS e LED de cultivo). O princípio consiste em girar o eixo de acionamento e o enrolador fixado nele, agitando a manivela, para girar o pequeno carretel de filme e, assim, retrair e desenrolar o cabo de aço. O cabo de aço da luminária de cultivo é conectado à roda de enrolamento do elevador por meio de múltiplos conjuntos de rodas reversíveis, permitindo o ajuste da altura da luminária. Em 2017, a empresa mencionada projetou e desenvolveu um novo dispositivo móvel de suplementação de luz, capaz de ajustar automaticamente a altura da iluminação em tempo real, de acordo com as necessidades de crescimento da cultura. O dispositivo de ajuste agora está instalado em estantes de cultivo tridimensional com sistema de elevação de fontes de luz de três camadas. A camada superior do dispositivo é a que possui as melhores condições de iluminação, por isso está equipada com lâmpadas de sódio de alta pressão; as camadas intermediária e inferior são equipadas com luzes de LED para cultivo e um sistema de ajuste de altura. Este sistema ajusta automaticamente a altura da luz de cultivo para proporcionar um ambiente de iluminação adequado para as plantas.

Em comparação com o dispositivo móvel de iluminação suplementar projetado para cultivo tridimensional, a Holanda desenvolveu um dispositivo de iluminação suplementar de LED com movimento horizontal. Para evitar a influência da sombra da luz de cultivo no crescimento das plantas sob a luz solar, o sistema de iluminação pode ser movido para as laterais do suporte através do mecanismo telescópico na direção horizontal, permitindo que as plantas recebam luz solar integral. Em dias nublados ou chuvosos, sem luz solar, basta mover o sistema de iluminação para o centro do suporte para que a luz ilumine as plantas uniformemente. O movimento horizontal do sistema de iluminação através do mecanismo deslizante no suporte evita a necessidade de desmontagem e remoção frequentes, reduzindo o esforço dos funcionários e, consequentemente, aumentando a eficiência do trabalho.

Ideias de design para um sistema típico de iluminação para cultivo
Não é difícil perceber, ao analisar o projeto do dispositivo móvel de iluminação suplementar, que o projeto do sistema de iluminação suplementar para fábricas de plantas geralmente considera a intensidade da luz, a qualidade da luz e os parâmetros de fotoperíodo de diferentes períodos de crescimento da cultura como elementos centrais do projeto, contando com um sistema de controle inteligente para implementar, visando alcançar o objetivo final de economia de energia e alta produtividade.

Atualmente, o projeto e a construção de sistemas de iluminação suplementar para hortaliças folhosas estão cada vez mais avançados. Por exemplo, as hortaliças folhosas podem ser divididas em quatro estágios: plântula, crescimento intermediário, crescimento final e estágio de maturação; as hortaliças de fruto podem ser divididas em plântula, crescimento vegetativo, floração e colheita. Em relação à intensidade da luz suplementar, a intensidade na fase de plântula deve ser ligeiramente menor, entre 60 e 200 μmol/(m²·s), aumentando gradualmente a partir daí. As hortaliças folhosas podem atingir até 100 a 200 μmol/(m²·s), e as hortaliças de fruto, entre 300 e 500 μmol/(m²·s), para garantir a intensidade luminosa necessária para a fotossíntese em cada fase de crescimento e atender às necessidades de alta produtividade. Em termos de qualidade da luz, a proporção entre vermelho e azul é muito importante. Para aumentar a qualidade das mudas e evitar o crescimento excessivo na fase de plântula, a proporção de vermelho para azul é geralmente definida em um nível baixo [(1~2):1], sendo gradualmente reduzida para atender às necessidades da morfologia da luz da planta. A proporção de vermelho para azul para hortaliças folhosas pode ser definida em (3~6):1. Quanto ao fotoperíodo, similarmente à intensidade da luz, deve apresentar uma tendência de aumento com a extensão do período de crescimento, para que as hortaliças folhosas tenham mais tempo para a fotossíntese. O planejamento da suplementação luminosa para frutas e hortaliças é mais complexo. Além das regras básicas mencionadas, devemos nos atentar ao ajuste do fotoperíodo durante o período de floração, promovendo a floração e a frutificação das hortaliças para evitar efeitos indesejáveis.

Vale ressaltar que a fórmula de iluminação deve incluir o tratamento final para as configurações do ambiente de luz. Por exemplo, a suplementação contínua de luz pode melhorar significativamente o rendimento e a qualidade das mudas de hortaliças folhosas em hidroponia, ou o uso de tratamento UV pode melhorar consideravelmente a qualidade nutricional de brotos e hortaliças folhosas (especialmente alface roxa e alface vermelha).

Além de otimizar a suplementação de luz para culturas selecionadas, o sistema de controle da fonte de luz de algumas fábricas de cultivo com luz artificial também se desenvolveu rapidamente nos últimos anos. Esse sistema de controle geralmente se baseia na estrutura B/S (barra/servidor). O controle remoto e automático de fatores ambientais, como temperatura, umidade, luz e concentração de CO2 durante o crescimento das culturas, é realizado via Wi-Fi, permitindo, ao mesmo tempo, um método de produção não restrito por condições externas. Esse tipo de sistema inteligente de iluminação suplementar utiliza luminárias de LED para cultivo como fonte de luz suplementar, combinadas com um sistema de controle remoto inteligente, podendo atender às necessidades de iluminação em comprimentos de onda específicos para as plantas, sendo particularmente adequado para ambientes de cultivo com controle de luz e atendendo às demandas do mercado.

Considerações finais
As fábricas de plantas são consideradas uma forma importante de solucionar os problemas mundiais de recursos, população e meio ambiente no século XXI, e uma maneira importante de alcançar a autossuficiência alimentar em futuros projetos de alta tecnologia. Como um novo tipo de método de produção agrícola, as fábricas de plantas ainda estão em fase de aprendizado e crescimento, necessitando de mais atenção e pesquisa. Este artigo descreve as características e vantagens dos métodos comuns de iluminação suplementar em fábricas de plantas e apresenta as ideias de projeto de sistemas típicos de iluminação suplementar para cultivos. Através de uma comparação, não é difícil constatar que, para lidar com a baixa luminosidade causada por condições climáticas adversas, como céu nublado e neblina contínuos, e para garantir uma produção alta e estável de culturas em estufa, os equipamentos com fonte de luz LED para cultivo são os que melhor se alinham às tendências de desenvolvimento atuais.

A direção futura do desenvolvimento de fábricas de plantas deve se concentrar em novos sensores de alta precisão e baixo custo, sistemas de iluminação com espectro ajustável e controláveis ​​remotamente, e sistemas de controle especializados. Ao mesmo tempo, as futuras fábricas de plantas continuarão a se desenvolver em direção a baixo custo, inteligência e auto-adaptação. O uso e a popularização de fontes de luz LED para cultivo garantem o controle ambiental de alta precisão nessas fábricas. A regulação do ambiente de luz LED é um processo complexo que envolve a regulação abrangente da qualidade da luz, da intensidade luminosa e do fotoperíodo. Especialistas e pesquisadores da área precisam realizar pesquisas aprofundadas, promovendo a iluminação suplementar por LED em fábricas de plantas com luz artificial.