В современном мире поиск эффективных и устойчивых способов производства продуктов питания становится всё более актуальной задачей. Одним из перспективных направлений является совмещение производства возобновляемой энергии и сельского хозяйства — агровольтаика. Национальная лаборатория возобновляемой энергии США (NREL) реализовала эксперимент, который подтвердил, что томаты, выращиваемые под специфическими солнечными панелями, могут иметь значительные преимущества в росте и качестве плодов по сравнению с традиционными условиями выращивания. По сути, эти панели не просто обеспечивают защиту или тень, а специально отфильтровывают свет таким образом, чтобы растения получали только те длины волн, которые оптимально влияют на их физиологию и развитие. Томаты, выращенные в лабораторных условиях под так называемыми BioMatch фильтрами, показали впечатляющие результаты.
BioMatch — это технология, основанная на органических полупроводниках, применяемых в прозрачных органических солнечных элементах, которые пропускают спектр света, максимально подходящий для фотосинтеза и роста растений. Это значит, что растения получают именно ту часть солнечного света, которая для них наиболее полезна, в то время как остальной спектр поглощается панелями с целью преобразования в электричество. Главный исследователь проекта, химик с опытом работы в области органических фотовольтаиков Брайон Ларсон, отмечает, что при обычном солнечном свете растения получают как полезные, так и избыточные, потенциально вредные фотоны. Для защиты от них растения вынуждены тратить энергию, что снижает их продуктивность. Фильтрация света позволяет ограничить воздействие ненужных фотонов, тем самым улучшая общий энергетический баланс и способствуя более эффективному росту.
Эксперимент доказывает, что подобный подход — разновидность «спектрального разделения» — позволяет не только поддерживать, но и улучшать урожайность при уменьшенном количестве света. Эти открытия стали возможны после первых удачных опытов с фотосинтетическими водорослями, которые уже демонстрировали ускоренный рост и увеличенный биомассовый выход под BioMatch фильтрами. Успех с простейшими организмами вдохновил ученых перейти к более сложным растениям — в частности, томатам, широко распространенным и экономически значимым культурам. В теплицах NREL были выращены два комплекта растений: контроль, получавший полный спектр солнечного света, и тестовая группа, получавшая свет только отфильтрованного спектра через органические солнечные панели. Результаты оказались впечатляющими — хотя томаты под органическими солнечными фильтрами получали примерно на 30% меньше света, они росли быстрее и достигали больших размеров.
Растения демонстрировали повышенную фотосинтетическую эффективность, то есть лучше конвертировали свет в биомассу. Такой эффект стал важным свидетельством того, что не весь солнечный свет одинаково полезен растениям, а правильный подбор спектра позволяет оптимизировать рост и сократить энергетические затраты в сельском хозяйстве. Уникальность подхода состоит в использовании органических фотовольтаиков (OPV), которые являются не только эффективными в производстве электроэнергии, но и достаточно гибкими, легкими и дешёвыми в изготовлении. Благодаря современным методам химического синтеза исследователи могут создавать фильтры, которые идеально подходят под нужды конкретного растения, учитывая его физиологию и требования к свету. Такая кастомизация открывает перспективы применения технологии для широкого спектра сельскохозяйственных культур, адаптированных к разным климатическим условиям и регионам.
Помимо увеличения урожайности, технология обеспечивает двойную пользу: выработка электроэнергии и улучшение условий для роста растений. Благодаря прозрачности органических панелей возможно использовать их в теплицах без потери полезного освещения, при этом часть света преобразуется в электроэнергию, которой можно обеспечить работу систем вентиляции, полива и других технологических устройств. Такой подход помогает создавать энергонезависимые, «умные» сельскохозяйственные комплексы нового поколения. Кроме биоэффективности, немаловажным является и органолептическое качество урожая. Исследователи не пожалели усилий и провели дегустационные тесты выращенных томатов.
Результат — томаты из опытной партии оказались на уровне, а иногда и превосходили по вкусовым качествам растения, выросшие под обычным солнечным светом или приобретенные в магазине. Это говорит о том, что оптимизированный спектр света не отрицательно сказывается на производство сахаров и текстуру плодов, а скорее способствует гармоничному развитию. Опыт NREL, получивший название проекта «No Photon Left Behind» («Ни один фотон не остался без дела»), служит прекрасным примером того, как интерактивное использование природных ресурсов может улучшить производство продуктов питания и устойчивость к изменению климата. Правильный выбор спектра света не только улучшает качество фотосинтеза, но и экономит энергоресурсы, позволяя создавать более эффективные системы агровольтаики и модернизированные теплицы с меньшими энергетическими затратами. Текущие исследования продолжаются и стремятся масштабировать технологию для коммерческого применения.
Вопрос в том, смогут ли широкие массы фермеров и агропредприятий принять и интегрировать такие инновации в свои производственные процессы. Экономическая выгода, подкрепленная экологической устойчивостью и повышением урожайности, выглядит многообещающей. Развитие технологий агровольтаики, при которой солнечные установки и сельское хозяйство объединены в одно целое, может стать ключевым направлением для страны и мира, столкнувшихся с вызовами продовольственной безопасности и необходимости сокращения углеродного следа. Использование органических солнечных клеток для селективного прохождения света представляет собой уникальное сочетание физики, химии и биологии, демонстрируя многообещающий пример междисциплинарных достижений. В заключение, эксперимент с томатами под органическими солнечными панелями в NREL показывает, что правильный спектральный подход к освещению растений не просто возможен, а приносит реальные преимущества.
Он позволяет повысить продуктивность сельского хозяйства и одновременно обеспечить дополнительный источник экологически чистой энергии. Эти технологии наглядно доказывают, что инновации в области солнечной энергетики и сельского хозяйства могут идти рука об руку, создавая устойчивое будущее для фермеров и потребителей по всему миру.
