Un estudio reciente demuestra como se puede optimizar los cultivos en invernaderos con la implantación de paneles solares transparentes capaz de filtrar longitudes de onda de luz utilizadas para producción de energía solar y que a la vez no afecte al crecimiento y salud del cultivo.

Debido a que las plantas no utilizan todas las longitudes de onda de la luz para realizar la fotosíntesis, los investigadores han explorado la idea de crear células solares orgánicas semitransparentes que absorban principalmente las longitudes de onda que a las plantas no sean útiles, e incorporarlas en forma de paneles solares en la estructura de invernaderos. 

Trabajos anteriores del equipo de investigación se habían centrado en determinar cuánta energía podrían producir los invernaderos alimentados por energía solar. La envoltura transparente es la característica principal de diseño de los invernaderos que maximiza la luz solar que llega a las plantas. Esta insolación también conduce a una calefacción significativa del espacio que puede ser beneficiosa en clima frío, pero puede resultar en sobrecalentamiento en clima cálido. Mientras que la luz solar puede soportar la calefacción del espacio en clima frío, el acristalamiento del invernadero tiene un aislamiento térmico deficiente, lo que resulta en que el invernadero a menudo requiere calefacción más allá de lo que el sol puede proporcionar. Del mismo modo, las ganancias solares excesivas en verano requieren enfoques de enfriamiento como la ventilación mecánica. Por lo tanto, la necesidad de regular térmicamente un invernadero, junto con el uso de iluminación suplementaria, conduce a un gran aumento en el consumo de energía en comparación con la agricultura convencional. Como resultado, el potencial de los invernaderos para ser una forma de agricultura ambientalmente sostenible de alta intensidad se ve obstaculizado actualmente por su demanda externa de energía.

Para reducir la huella energética de los invernaderos, ha habido un creciente interés en integrar células solares en la estructura del invernadero. En este enfoque, una porción de luz es capturada por las células solares para generar energía, mientras que la luz restante se transmite al invernadero para la producción de cultivos. Dependiendo del diseño del invernadero y de dónde se encuentre, las células solares podrían hacer que muchos invernaderos sean neutros energéticamente, o incluso permitirles generar más energía de la que utilizan.

Las células solares orgánicas semitransparentes han sido de particular interés, ya que tienen características de absorción que se pueden ajustar para complementar las necesidades de luz espectral de la planta. Pero, hasta ahora, no estaba claro cómo estos paneles solares podrían afectar a los cultivos de invernadero.

Para abordar el problema, los investigadores desarrollaron cultivos de lechuga de hoja roja (Lactuca Sativa) en cámaras de invernadero durante 30 días, desde la semilla hasta la plena madurez. Las condiciones de crecimiento, desde la temperatura y el agua, hasta el fertilizante y la concentación de CO2, fueron constantes, excepto la luz. 

Un grupo de control de lechugas estuvo expuesto a todo el espectro de luz blanca. El resto de las lechugas se agruparon en tres grupos experimentales. Cada uno de esos grupos fue expuesto a la luz a través de diferentes tipos de filtros  (ST-OSC) que absorbían longitudes de onda de luz equivalentes a lo que absorberían diferentes tipos de células solares semitransparentes. 

Los filtros OSC  estaban compuestos por capas activas de alto rendimiento, que se combinaron con filtros PEDOT:PSS para imitar las propiedades ópticas de las células solares funcionales. Estas diferentes capas activas dan lugar a características de transmisión distintas sobre el espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR), que se define como el rango de longitud de onda de la luz que impulsa la fotosíntesis (400-700 nm). Esto proporciona un medio para evaluar el papel de la intensidad de la luz y los espectros de transmisión de los OSC en el crecimiento y la fisiología de las plantas.

“Específicamente, manipulamos la relación entre la luz azul y la luz roja en los tres filtros para ver cómo afectaba al crecimiento de las plantas”, explica Heike Sederoff, coautora correspondiente del estudio y profesora de biología vegetal en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

Para determinar el efecto de esta eliminación de varias longitudes de onda de la luz, los investigadores evaluaron una serie de características de la planta. Por ejemplo, prestaron mucha atención a las características visibles que son importantes para los productores, supermercados y consumidores, como el número de hojas, el tamaño de las hojas y cuánto pesaban las lechugas. Pero también evaluaron marcadores de salud vegetal y calidad nutricional, como la cantidad de CO2 que absorbieron las plantas y los niveles de diversos antioxidantes.

Los resultados mostraban cómo el crecimiento de la lechuga no se veía obstaculizado bajos los filtros OSC y que los diferentes espectros de transmisión no tenían impacto estadísticamente significativo en el peso fresco de la planta. Además, se muestra que la intensidad de luz que llega a las plantas reduce la tasa de fotosíntesis por área, pero también aumentó el área foliar (LA) y el número de hojas, minimizando así el impacto en el rendimiento de los cultivos. 

“No solo no encontramos ninguna diferencia significativa entre el grupo de control y los grupos experimentales, sino que tampoco encontramos ninguna diferencia significativa entre los diferentes filtros”, explica Brendan O’Connor, coautor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State.

Los resultados son realmente prometedores para el futuro desarrollo de invernaderos alimentados por energía solar, sin que se produzcan mermas en la producción de los mismos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la lechuga es una planta tolerante a luz baja. Los requisitos de luz relacionados pueden variar dependiendo de la selección del cultivo y al zona climática del invernadero. Futuras investigaciones tendrían que ampliar y complementar los estudios actuales para hacer que esta tecnología fuera real en todo tipo de invernaderos alrededor del mundo.

“Nos sorprendió un poco los resultados. No hubo una reducción real en el crecimiento o la salud de las plantas. Esto significa que la integración de este  tipo de sistemas de recolección de energía con células solares transparentes puede ser real en invernaderos sin pérdida de productividad. En próximos estudios profundizaremos en mayor detalle sobre las formas en que las diferentes longitudes de onda afecta a los procesos biológicos para cultivos de lechugas, tomates y otros”, concluye Sederoff. 

Créditos imágenes: “Balancing crop production and energy harvesting in organic solar-powered greenhouse”, 2021.