LED成為长途太空旅行的生命之源

来源：新兴产业战略智库T|T

有什么不可能，地球都有另一半了，太空都能长出蔬菜了。

8月10日，美航天局(NASA)正在国际空间站执行任务的美国和日本宇航员品尝了在太空种植的紫叶生菜，标志该空间站蔬菜培育试验取得阶段性成功。
“这是个人的一小口，却是人类的一片大叶子”，美国航天局在官网上略带调侃地评论说，“这让我们距离飞向火星又近了一步”。
别以为这是夸大其词。这颗小小的植物将会成为我们人类未来的关键。如果像一些末日学家预言的那样，我们最终将会耗尽地球的资源，使它变成一个难以生存的不毛之地，那么太空农业将被证实对我们人类继续幸存下来至关重要。

太空育种究竟如何完成?

可看下图解：

万物生长靠光照，即使是外太空也概莫能外。在太空环境中，植物的生长同样要靠光照。当我们还在惊呼LED照明技术可以种菜的时候，LED照明已经突破地球，跑到外太空种菜去了。
太空餐背后的LED照明系统
据悉，此次宇航员大呼“好吃”的紫叶生菜来自于轨道实验室植蔬生长系统，正是通过LED照明系统来实现生长的。

太空的植蔬生长系统

生菜种植在一种特殊盒子里，生菜的种子被撒放在用于生根发芽的垫层上，垫层是由土壤和化肥组成的。每一个“蔬菜盒子”重大约七公斤，可以折叠，也可以拉伸。这种盒子还安装了红绿蓝三色的LED灯来促进蔬菜生长。
这种LED灯是经过红和蓝光组合，经过设计，能发出比绿色LED灯还要多的光。同时加入绿色LED灯照射，中和紫光下，让人觉得有点奇怪的样貌，让植物看起来更像能吃的东西。
使用LED灯栽培植物的概念可追溯至1990年代的NASA计划。当时的高级维生计划由雷·韦勒(RayWheeler)博士带领，在位于甘迺迪的探索研究及科技专案办公室进行研发。韦勒表示：“蓝色和红色的波长是植物生长的基本条件。它们应该是以电力转换成光能量而言最有效率的颜色。绿色LED则帮助强化人类对于植物的视觉效果，但其实发出的光并不像红、蓝灯那么多。”

LED缘何上太空?

LED光源在植物照明方面的优势，优势具体描述：
节能目前白光LED的电能转化效率最高，已达到80%，而普通荧光灯仅为20%
环保LED没有任何污染，并且发光颜色纯正，不含紫外和红外辐射成分
寿命长LED寿命可达5万小时以上，是荧光灯的5倍以上，是白炽灯的100倍
单色光可调控LED发出的光为单色光，能够自由选择红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等发光光谱，按照不同植物的需要将它们组合利用，不仅节能，而且可提高植物对光能的吸收利用率
冷光源LED发出单色光，没有红外或远红外的光谱成分，是一种冷光源，可以接近植物表面照射而不会出现叶片灼伤的现象，并且它的体积小，可以自由地设定光源板的形状，极大提高了光源利用率和土地利用率，有利于形成多段式紧凑型的栽培模式，适用于密闭植物工厂的集约型生产模式
随着空间技术的发展，人类进行太空探索逐渐成为现实。基于空间环境的特殊要求，植物栽培使用的光源必须具有发光效率高、输出光谱与植物光合作用需求吻合、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特征。
由于LED具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等特点，因此对封闭有环控的农业生产环境是一种非常适合的人工光源，近年来已经成为太空农业重要的人工光源。普渡大学的园艺教授——加里·米切尔在一项声明中说：“地球上的一切最终都由阳光进行光合作用”。“我们面临的问题是怎样在太空中复制，用有限的能源产生自己的光源，有针对性的LED照明是最佳选择。”

太空农业中，LED照明进行时

美国航空航天局针对宇宙基地闭锁式生命维持系统的植物生产特点，把LED光源列为空间植物栽培系统首选光源，并委托Wisconsin大学等单位开展研究，目前已研究出应用6-14m2就能提供一个人需要的面粉、豆、薯、菜、蕃茄、玉米等食物的生产模式。
普渡大学的园艺教授加里-米切尔认为，太空农业需要采取垂直方式，即与地球上的城市农业提倡的方式类似。LED的重要支持者米切尔已经从事垂直农业很多年，采用垂直农业是为了支持太空生活。
德国Heliospectra公司发布了L4A系列的10型LED照明系统，主要用于包括植物生物化学、植物分子生物学、昆虫学以及动物学等领域的开发研究。德国航空航天中心采用此照明系统作为环境封闭营养来源进化和设计研究项目的组成部分，最终实现在太空领域种植蔬果。
加拿大圭尔夫大学的研究团队致力研究一项LED技术，这项技术可以提供宇航员在外天空种蔬菜。
中国航天员中心载人航天环控生保室主任郭双生等在模拟空间舱内环境温度控制在22℃、相对湿度70%、二氧化碳浓度500μmol·mol-1、光照周期24h(亮)/0h(暗)的条件下,利用红蓝2种LED的4种不同组合作为照明光源,在多孔管和多孔陶瓷颗粒无土栽培装置下进行植物栽培试验。结果表明，红色LED下生长的植物初期呈匍匐状，后期直立、细长;红蓝光LED组合下的植株生长基本正常，但90%红光LED+10%蓝光LED更为适宜。这一结果对我国太空农业LED的应用研究具有重要的参考价值。
加拿大圭尔夫大学研究团队正在研究在使用LED的情况下怎样使植物生长达到最优化的技术，LED照明能够提供植物生长所需要的特殊波，最看重的就是LED照明的高效性。当资源短缺时，你可以通过较少的能量就获得许多光子。研究人员在试验中使用莴苣进行测试，因为这种植物很容易生长而且生长迅速。他们将借助研究结果改善更具营养的作物生长，比如说草莓和圣女果等。研究人员相信，LED光源的奇特方法将在未来广泛运用，让宇航员在太空中种植大量蔬菜。
而普渡大学园艺教授加里-米切尔也在做着相类似的研究，他们的新科学研究发现，就生菜来说，至少神奇的灵丹妙药似乎是按95:5的比例在棚顶上放置红色和蓝色指示灯，这样特殊的混合光比使用全覆盖LED灯节省50%的能源，比传统灯泡节省90%的能源。
未来的太空农民都发现，只发出可见光的LED灯是最好的选择，植物扔掉了太阳的大部分能量，进化使得植物在所有颜色中偏好吸引红光和蓝光。在经过实验室改造之后研究人员发现，用少许蓝光和大量红光喂养的生菜产量最高，削减了十倍能源消耗。
当然，对于太空农业的LED照明系统来说，研究组还有很多工作要做，比如研究在植物的整个生命周期中如何适时增减光照。一旦得到最优的绿叶蔬菜光照过程，科学家们将开始研究更多植物要求的光线，如西红柿和玉米。

太空旅行，粮食问题尤为重要

1、在太空种植可食性植物有助于解决太空旅行面临的一个最大问题：食物的成本，能够在太空中实现自给自足。
2、太空培育蔬菜的成功也为地球栽种植物提供了可借鉴的宝贵经验，那些土壤贫瘠的偏远郊区或山区的人们也可以依法炮制，在室内利用光照进行液体培育，以丰富他们的食物种类，解决饥荒等问题。
3、太空农业将实现全自动化生产，该技术的进步也将反馈到地球上的农业生产，可以带动偏远地区的农业耕作和运输系统的建设，带来农业技术的革命。
作为太空农业发展中重要的人工光源，LED将在太空农业领域发挥着重要的作用。尽管目前太空农业发展仍处于研究阶段，但其前景可期。可以想见，包括太空农业在内的未来LED农业照明市场的热度会有增无减。单从LED植物生长灯来看，全球LED植物生长灯产值从2013年起已开始呈现高速成长态势，从千万美元规模增长至2014年的3500万美元左右，2017年更有望可达到3亿美元。
企业方面，尽管有不少企业都积极部署农业照明领域，如飞利浦、欧司朗、三菱化学、首尔半导体、台湾亿光等知名企业都已涉足和有部署，表现积极。国内也有不少成长型企业介入，中国台湾地区企业的表现近来也愈发积极，包括晶电、璨圆、新世纪、亿光、东贝都极欲切进该市场，并且各自有对应的光源应用解决方案。但明确针对太空农业领域的部署，几乎寥寥可数，毕竟目前太空农业发展仍处于起步阶段，太空种植的LED照明系统处于研究阶段，加上其发展生态与模式较为特殊，需要一系列特殊技术，自然曲高和寡——主要是一些科研机构、太空技术公司进行相关探索。尽管太空农业中所使用的LED灯量少，但其利润高，而太空环境中微重力、高真空、高能粒子辐射等因素对LED照明技术提出了更高的要求，这也需要照明行业的顶尖企业加入进来一起进行相关的研发与探索，与科研机构、太空技术公司一起实现太空农业技术的重要突破，并惠及地球农业，造福全人类。