Científicos de la ITMO University en San Petersburgo, junto con colegas de la Universidad de Tomsk, se han propuesto mejorar los actuales sistemas de iluminación LED utilizados en horticultura desarrollando una nueva fuente de luz cerámica con adición de cromo que permite ofrecer no solo luz roja sino también infrarroja (IR).
El cultivo de frutas y hortalizas en enormes invernaderos es una forma de cultivo cada vez más extendida gracias a que protege a estas plantaciones de condiciones metereológicas adversas. Sin embargo, los agricultores tiene que compensar la posible falta de luz solar natural en tales invernaderos. Las instalaciones agrícolas más avanzadas están utilizando la tecnología LED con este fin: consumen poca energía, dan una luz brillante y pueden instalarse fácilmente en un invernadero. En este proceso de abandonar las lámparas halógenas de sodio y vapor de mercurio como fuentes de luz y utilizar la tecnología LED, se reveló que la regiones espectrales azul y rojo eran las más importantes para el crecimiento de las plantas. De ahí que en muchos casos se utilizan una mezcla de LEDs azules y rojos, formando el típico tono “rosa” que se observa en este tipo de instalaciones. Sin embargo, para el pleno desarrollo de la planta, también son necesarios otros componentes del espectro, como por ejemplo, la luz verde, amarilla y la zona infrarroja. Así pues, en la actualidad se considera que la solución tecnológica en el uso combinado de LEDs con fluorocromos, que tienen un espectro de radiación más amplio, es generalmente aceptada.
“Los científicos estiman que esta iluminación basada en LEDs rojos y azules no es óptima. El diodo rojo se ilumina en el rango de los 650 nanómetros, y su espectro es muy estrecho, similar a la de un láser. Las plantas, sin embargo, absorben mejor la luz roja e infrarroja en el rango de un poco más de los 650 nm, que la gente apenas puede ver. Esto implica, que estamos usando una luz que es más cómoda para los humanos y no tan óptima para las plantas”, afirma Anastasia Babkina, asistente de laboratorio de la Facultad de Fotónica e Información Óptica
La radiación fotosintéticamente activa localizada en 300-450 nm y 650-700 nm, y capturada por los pigmentos de clorofila, proporciona la energía para la fotosíntesis. Los procesos fisiológicos y morfológicos están controlados por los receptores fotomorfológicos: fitocromo y criptocromo, donde el primero tiene picos de absorción en las regiones rojas y rojas lejanas y el segundo, en las regiones UV-B y azules. El espectro de absorción del criptocromo se encuentra en la misma región que la absorción de la clorofila, por lo que al crear fuentes de radiación azul-rojo para las plantas, también se inicia su funcionamiento. Sin embargo, el fitocromo es sensible a la luz roja lejana que no está disponible en los LED rojos estándar. Por tanto una tarea urgente es el desarrollo de materiales luminiscentes con un amplio espectro de emisión en la región roja lejana (650-800 nm), que serían compatibles con los LED industriales.
Este razonamiento ha llevado al equipo de investigación a intentar encontrar un nuevo material que pueda ser utilizado para desarrollar LEDs que emiten luz en un espectro más amplio, incluyendo el rango IR. Los LED rojo clásicos utilizan materiales basados en compuestos del manganeso y el europio. Los cristales de este elemento químico hacen que el diodo emita en la longitud de onda de unos 650 nanómetros, haciendo que la luz sea roja, y conjuntamente con la emisión del diodo azul, rosa.
“Decidimos no usar otro tipo de cristal sino una cerámica de vidrio, que se trata de un material de transición entre el vidrio y el cristal. La diferencia radica en que tenemos que hacer crecer específicamente los cristales, mientras que el vidrio se sintetiza por moldeo, y se puede producir rápidamente y en grandes cantidades, en cualquier forma que se necesite. El inconveniente del vidrio radica en su fragilidad. Por esta razón, tomamos el vidrio y empezamos a cristalizar lentamente para que no pierda transparencia. Como resultado, obtenemos vidrio con cristales microscópicos en su interior que son invisibles para el ojo. Este material es más resistente, tiene mejores propiedades luminiscentes y se llama “glass-ceramic”, explica Babkina.
El cromo es añadido a esta cerámica de vidrio en la fase de producción: esto le da al material un tono rosado que le permite producir luz roja e infrarroja al mismo tiempo. Este nuevo material tiene dos aplicaciones potenciales: la primera es molerlo para obtener micropartículas que pueden utilizarse para producir un nuevo tipo de diodos de luz. Esto ofrece grandes perspectivas, pero la introducción de tal tecnología requiere mucho tiempo y dinero. Otra opción es usarla para crear pantallas o difusores.
«Podemos tomar los diodos de luz azul y verde y utilizar nuestra material como filtro para obtener una emisión de amplio espectro que incluirá el rango IR», concluye Babkina.
Los resultados de la investigación fueron recientemente publicados en la revista científica “Optical Materials”.
Créditos de imagen: Anastasiia Babkina
