Thiết bị chiếu sáng cho nông nghiệp công nghệ cao

Việc làm này vừa góp phần phát triển Công ty vừa góp phần thúc đẩy sự phát triển ngành nông nghiệp công nghệ cao, qua đó mở rộng ảnh hưởng của Công ty đến một thành phần xã hội rất lớn, đó là những người nông dân.     

Ý tưởng khoa học và đổi mới

Ánh sáng là yếu tố quyết định đến sự sống, sinh trưởng, phát triển hình thành năng suất và phẩm chất của cây trồng. Nếu không có ánh sáng thì không thể có sự sống trên trái đất bởi vì toàn bộ các sản phẩm mà con người sử dụng: lương thực, thực phẩm, nhiên liệu, vải vóc,… tất cả đều là sản phẩm bắt nguồn từ quang hợp của cây xanh. Qua quá trình quang hợp, cây đã biến đổi năng lượng của mặt trời thành năng lượng hóa năng cho con người sử dụng. Thông qua sự thay đổi chế độ chiếu sáng cho cây trồng chúng ta có thể làm thay đổi sự sinh trưởng, phát triển của cây, điều khiển sự phát sinh hình thái, sự ra hoa, năng suất và phẩm chất của cây. Trong nông nghiệp công nghệ cao đối với cây rau và hoa hầu như cây giống được nhân trong điều kiện nhân tạo (nhân giống bằng kỹ thuật nuôi cấy mô), được trồng trọt trong các nhà có mái che (nhà lưới, nhà kính). Trong môi trường ấy việc chiếu sáng cho phòng thí nghiệm nuôi cấy mô, cho cây sinh trưởng trong nhà kính, nhà lưới là yêu cầu bắt buộc. Mặt khác, có thể sử dụng ánh sáng để điều khiển tạo sản phẩm trái vụ, nâng cao giá trị hàng hóa, đặc biệt ở các sản phẩm xuất khẩu. Chính vì những lẽ đó Công ty Rạng đông đã tập trung cải tiến, chế tạo những thiết bị chiếu sáng vào những hướng ứng dụng chủ yếu sau:

Thiết bị chiếu sáng cho các phòng nhân giống bằng kỹ thuật nuôi cấy mô           
Thiết bị chiếu sáng chuyên dụng nhằm xử lý điều khiển ra hoa trái vụ        
Thiết bị chiếu sáng phục vụ sản xuất rau, hoa an toàn trong nhà mái che (đang bắt đầu triển khai)

Sự cải tiến thiết bị chiếu sáng cho phòng nuôi cấy mô            

Hiện nay ở Việt Nam có hàng trăm phòng thí nghiệm nuôi cấy mô để sản xuất cây giống bao gồm cây hoa cảnh, cây lâm nghiệp, cây nông nghiệp. Riêng tại tỉnh Lâm Đồng đã có tới gần 60 phòng nuôi cấy mô hằng năm cung cấp hàng triệu cây giống cho sản xuất và xuất khẩu. Công ty Công nghệ Sinh học Rừng Hoa Đà Lạt có 2 nhà nuôi cấy mô lớn, hiện đại với trên 500 giá nuôi cây (2500 tầng) mỗi đợt cung cấp 20-30 triệu cây giống. Vấn đề rất bức xúc của lĩnh vực nhân giống bằng nuôi cấy mô là chi phí về năng lượng phục vụ cho quá trình thắp sáng chiếm đến 65% và làm mát chiếm đến 25% tổng năng lượng của một quy trình nhân giống. Do vậy, việc chế tạo được các thiết bị chiếu sáng có chi phí điện năng thấp, ít tỏa nhiệt nhưng vẫn đảm bảo được sự sinh trưởng, phát triển và hệ số nhân của cây được nhân giống là mục tiêu của các nhà nghiên cứu chế tạo ra thiết bị ánh sáng phù hợp ở công ty Rạng Đông.             

Như ta đã biết, ánh sáng là  bức xạ điện từ của năng lượng mặt trời có bước sóng từ khoảng 390-750 nm bao gồm các loại ánh sáng đơn sắc: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím  hợp lại. Trong khi đó cây chỉ hấp thụ được ánh sáng dùng cho quang hợp qua sắc tố diệp lục ở hai vùng chủ yếu là vùng ánh sáng xanh lơ (blue có bước sóng ~ 430nm) và vùng ánh sáng đỏ (có bước sóng ~ 660nm). Việc chế tạo đèn phát ra những tia sáng phù hợp với phổ hấp thụ của diệp lục sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng của cây và làm giảm năng lượng chi phí của năng lượng phát ra ngoài bước sóng mà cây cần. Các nhà nghiên cứu khoa học của Rạng Đông đã nghiên cứu các phổ chiếu sáng của nhiều loại đèn khác nhau qua đó đã phát hiện: đèn huỳnh quang thường sử dụng trong các phòng nuôi cấy mô chỉ phù hợp cho mục đích chiếu sáng thông thường (theo mắt người có bước sóng tập trung trong khoảng 500-600nm), trong khi vùng ánh sáng đỏ (~660nm) là vùng diệp lục hấp thụ dùng cho quang hợp thì hầu như bị thiếu. Đèn compact cũng thiếu vùng ánh sáng đỏ cho cây, đèn thủy ngân có ánh sáng đỏ nhưng hiệu suất thấp, đèn natri lại thiếu vùng ánh sáng xanh. Cũng phải nói thêm, ánh sáng đỏ có hiệu quả quang hợp rất cao. Ở cùng một cường độ chiếu sáng, nếu là ánh sáng đỏ thì hiệu quả quang hợp có thể tăng gấp đôi so với ánh sáng xanh (blue).           

Thông qua việc giải mã các loại đèn chuyên dụng trong nuôi cấy mô của các nước tiên tiến, thông qua việc sử dụng các lớp bột phủ bên trong ống đèn cho phát huỳnh quang ra các tia có bước sóng mong muốn, các tác giả của Rạng Đông đã chế tạo ra được đèn có nguồn sáng với phổ thích hợp cho cây nuôi cấy mô. Tỷ lệ dải bước sóng xanh và đỏ so vơi công suất tiêu thụ cao hơn đèn chiếu sáng thông thường hay sử dụng. Các thí nghiệm được tiến hành ở phòng thí nghiệm nuôi cấy mô của Viện Sinh học Nông nghiệp-Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội và một số cơ sở nghiên cứu khác đều đã khẳng định sử dụng loại đèn mới chế tạo T8 36W B/R. Rạng Đông đã cho sinh trưởng phát triển của cây nuôi cấy mô tốt hơn. Năng lượng tiêu tốn giảm được khoảng 60%. Do phản ứng với ánh sáng của các nhóm cây (nhóm ưa sáng, nhóm ưa bóng và nhóm trung tính) có khác nhau nên các nghiên cứu sử dụng đèn sao cho tối ưu với từng nhóm cây hiện đang được tiến hành. Việc xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa ánh sáng xanh lơ và ánh sáng đỏ cũng cần được nghiên cứu tiếp tục để nâng cao hiệu quả sử dụng tối đa.       

Một vấn đề khác trong nuôi cấy mô là phải giảm được lượng điện tiêu hao thông qua sử dụng thiết bị chiếu sáng có hiệu suất cao, tổn hao điện thấp, phân bố ánh sáng đều. Công ty đã chế tạo được ra các ballas điện tử thay thế cho ballast sắt từ đã giảm tổn hao nhiệt điện trên ballas từ 13w xuống còn 3w, giảm được năng lượng  làm mát bằng điều hòa nhiệt độ. Việc thiết kế các chao chụp đèn cũng giúp tập trung bức xạ tối đa vào đối tượng cần chiếu sáng, tạo độ đồng đều chiếu sáng cao cũng đã được tiến hành và thu được kết quả bước đầu: ánh sáng tập trung lên bình nuôi cấy mô đạt 70-75%. 

Nghiên cứu chế tạo thiết bị chiếu sáng nhằm xử lý điều khiển ra hoa trái vụ   

Quá trình ra hoa của thực vật là một quá trình sinh lý phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động. Tuy nhiên, hai yếu tố ngoại cảnh cực kỳ quan trọng ảnh hưởng đến sự ra hoa của cây trồng đó là nhiệt độ và ánh sáng. Theo nhiều công trình nghiên cứu khoa học, ( Viện Sinh học Nông nghiệp-Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội, Viện Nghiên cứu rau quả Trung ương), người ta đã phân loại các nhóm cây theo ảnh hưởng của ánh sáng đến sự ra hoa thành 3 nhóm: Nhóm cây ngày dài (chính xác hơn gọi là nhóm cây đêm ngắn); nhóm cây ngày ngắn (chính xác hơn gọi là nhóm cây đêm dài); nhóm cây trung tính: cây có thể ra hoa được trong cả điều kiện ngày ngắn lẫn ngày dài miễn là cây có đủ độ sinh trưởng nhất định.           

Điều thú vị là trong mối quan hệ giữa thời gian chiếu sáng ngày/đêm thì thời gian đêm là thời gian quyết định đến phản ứng ra hoa của cây. Chính vì thế, cây ngày dài thực chất là cây đêm ngắn và cây ngày ngắn thực chất là cây đêm dài. Trong điều kiện mùa đông của Việt Nam, thời gian ngày ngắn còn thời gian đêm dài (trên 12 tiếng). Để điều khiển cây ra hoa có thể kéo dài ngày bằng cách chiếu sáng bổ sung nhưng cũng có thể có biện pháp xử lý đêm dài thành đêm ngắn bằng cách chiếu sáng vào giữa đêm (xem như đã cắt một đêm dài thành 2 đêm ngắn). Cả hai cách xử lý này đều làm cho cây ra hoa. Cũng tương tự như vậy, đối với cây ngày ngắn thực chất là cây đêm dài. Cây này sẽ ra hoa trong điều kiện ngày ngắn (đêm dài), nếu chiếu sáng bổ sung làm ngày dài ra, hoặc chiếu sáng ban đêm làm đêm ngắn lại sẽ làm cây không thể ra hoa. Trong thực tiễn sản xuất một số cây hoa (hoa cúc) và cây ăn quả có giá trị kinh tế cao (cây thanh long) của Việt Nam, biện pháp chiếu sáng đã được sử dụng để điều khiển sự ra hoa kết quả của cây vào đúng thời điểm có nhu cầu của thị trường. Việc làm này đã làm tăng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất các sản phẩm này.         

Tuy nhiên quy trình điều khiển ra hoa theo ý muốn cho các cây trên đang được diễn ra một cách tùy tiện, rất lãng phí năng lượng, thậm chí không có đủ điện để phục vụ sản xuất thanh long xuất khẩu trong tình trạng bùng phát phát triển thanh long hiện nay. Trước bối cảnh ấy các nhà khoa học Nông-Sinh học cũng như các nhà khoa học chế tạo thiết bị chiếu sáng của Rạng Đông đã rất hứng khởi vào cuộc nhằm giải quyết những vấn đề bức xúc của thực tiễn nêu trên.      

*Về cây thanh long       

Tổng diện tích trồng thanh long ở Việt Nam khoảng 25000ha, trong đó ở Bình Thuận thanh long trở thành ngành trồng trọt mũi nhọn, xuất khẩu thanh long chiếm 1/3 GDP nông nghiệp, tỉnh có tới 18.616 ha (số liệu cuối 2011), Tiền Giang 3000ha, Tây Ninh, Long An và đang trồng ở Thanh Hóa, Hải Dương, Hà Nội,…           

Thanh long là cây ngày dài, chỉ ra hoa trong điều kiện ngày dài (vụ xuân-hè). Từ tháng 9 đến tháng 2 (vụ thu đông) là giai đoạn ngày ngắn các vùng trồng đều phải chiếu sáng bổ sung tạo thanh long trái vụ phục vụ thị trường tết có giá bán cao hơn nhiều lần so với chính vụ. Tùy theo giống và tùy vào tuổi của cây, thời gian chiếu sáng cho cây có thể kéo dài từ 15-21 ngày mỗi đợt, trung bình là 3 đợt/năm. Thời gian chiếu sáng mỗi đêm là 7-8 tiếng (từ 21-22h đến 5-6h sáng hôm sau). Mỗi hecta thanh long dùng 1200 bóng, công suất 60w thì lượng điện năng tiêu thụ trong một đợt chiếu sáng như sau: 1200 bóng x 60w x 8 giờ x 15 đêm = 8.640Kwh/đợt, tương ứng với 26.000KWh/năm (3 đợt). Tổng lượng điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng cây thanh long nói riêng tại tỉnh Bình Thuận cho mỗi đợt chiếu sáng là 6.000ha x 8.640 KWh = 51.840.000 KWh (51.840 MWh) và xấp xỉ 155.000 MWh/năm. Đây là số điện năng khổng lồ vượt qua khả năng cung ứng điện năng của ngành điện lực Bình Thuận. Hiện tượng này cũng xảy ra ở các vùng trồng thanh long khác như Tiền Giang, Tây Ninh, Long An. 

Qua nghiên cứu, các chuyên gia phát hiện thấy điều bất hợp lý là thời gian chiếu sáng trong ngày chỉ giảm đi một hai tiếng khi vào mùa đông so với mùa hè tại sao lại phải chiếu ánh sáng bổ sung tới 7-8 tiếng? đồng thời nhận thấy cơ chế điều khiển sự ra hoa thông qua ánh sáng thực chất là phản ứng của một phức hợp sắc tố - protein gọi là phytochrom. Sắc tố này sẽ hấp phụ những ánh sáng rất chuyên biệt ở bước sóng rất cụ thể thuộc vùng đỏ (R) và đỏ xa (FR) và tồn tại ở hai dạng có thể chuyển hóa sang nhau. Phytochrom R sẽ nhận ánh sáng đỏ có trong ánh sáng mặt trời chuyển hóa nhanh thành Pfr. Còn Pfr sẽ nhận ánh sáng đỏ xa (FR) để chuyển thành Pr. Thời gian đêm sẽ thúc đẩy sự phân hủy Pfr thành Pr. Đêm dài sẽ giúp phân hủy Pfr triệt để.

Để cây ngày dài (cây thanh long) ra hoa được thì cần phải tích lũy được một lượng Pfr nhất định cho nên cần thời gian ngày dài và thời gian đêm ngắn để có đủ lượng Pfr thúc đẩy sự ra hoa. Như vậy, nếu chế tạo được thiết bị chiếu ánh sáng phù hợp với phổ hấp phụ của Pr để thúc đẩy hình thành Pfr thì việc xử lý thanh long ra hoa chắc chắn sẽ hiệu quả hơn các loại đèn khác, thời gian chiếu sáng sẽ ngắn đi, năng lượng chiếu sáng sẽ được tiết kiệm hơn. Mặt khác, theo học thuyết quang chu kỳ, sự chiếu sáng nếu đúng phổ hấp phụ của phytocrom vào thời gian đêm sẽ có tác dụng rất mạnh mẽ đến sự thúc đẩy ra hoa, thời gian chiếu sáng quang gián đoạn giữa đêm theo lý thuyết là rất ngắn. 

Dựa trên cơ sở khoa học này các nhà khoa học Nông–Sinh học cùng các nhà chế tạo thiết bị chiếu sáng Rạng Đông đang tiến hành nhiều thực nghiệm ở nhiều vùng từ Bình Thuận cho đến Tây Ninh để tìm ra được loại đèn chiếu sáng chuyên dụng sử dụng trong điều khiển thanh long trái vụ trong một ngày không xa.     

*Về cây hoa cúc           

Như chúng ta đều biết, thị trường hoa của Việt Nam chủ yếu sôi động vào dịp tết. Khác với thanh long, cây hoa cúc là cây ngày ngắn tức là cây dễ dàng ra hoa khi trồng trong vụ đông. Điều này gây ra những khó khăn cho cả việc nhân giống lẫn sản xuất hoa cúc thương phẩm. Bởi vì, hoa cúc nhân giống bằng phương pháp giâm cành. Ngọn cúc được lấy từ cây mẹ để giâm, nếu ngọn cây mẹ có nụ thì không thể sử dụng làm cành giâm phục vụ nhân giống. Mặt khác, trong sản xuất hoa cúc thương phẩm phục vụ tết cây cúc được trồng vào vụ đông là vụ có thời gian chiếu sáng ngày ngắn. Cây giống vừa trồng xuống chưa kịp sinh trưởng đủ chiều cao đã gặp điều kiện thích hợp cho ra hoa. Cây sẽ cho cành hoa không đủ tiêu chuẩn thương mại. Chính vì thế trong sản xuất hoa cúc người dân thường phải chiếu đèn cho cả cây dùng để lấy ngọn nhân giống cũng như cây trồng để lấy hoa thương phẩm. Thường ở vườn ươm cây giống phải chiếu đèn liên tục còn ở vườn trồng phải chiếu đèn mỗi đêm từ 4 đến 6 tiếng kể từ ngày trồng cho đến khi kết thúc khoảng 40 đến 60 ngày tùy giống. Sau khi ngắt chiếu sáng, lúc này cây đã sinh trưởng đủ chiều cao và thân lá, cây sẽ hình thành nụ và cho hoa.            

Với mong muốn hoàn thiện qui trình chiếu sáng cho cây hoa cúc, nhóm các nhà khoa học của Rạng Đông đã khảo sát các loại đèn đang sử dụng trong sản xuất hoa cúc là đèn sợi đốt và đèn compact có tỷ lệ năng lượng của vùng phát sáng, có khả năng điều khiển ra hoa chỉ chiếm từ 1,73 đến 2,13% tổng năng lượng. Như vậy đã lãng phí rất nhiều năng lượng. Trên cơ sở đó đã chế tạo ra loại đèn CFL NN-R có phổ ánh sáng mới hoàn toàn phù hợp cho điều khiển ra hoa có thể tiết kiệm được 50% thời gian chiếu sáng mà phẩm chất hoa không thay đổi có thể làm tăng hiệu quả nhân giống, thời gian cắt ngọn làm cành giâm giảm từ 10 ngày xuống 7 ngày.         

Hàng loạt ý tưởng mới đang được thai nghén trong hướng đi mới mẻ này: Nghiên cứu khắc phục hiện tượng ra hoa sớm của thuốc lá qua xử lý cây giống bằng chiếu sáng đèn chuyên dụng, nghiên cứu chiếu sáng bổ sung để tạo hoa khoai tây phục vụ lai tạo ở đồng bằng Bắc bộ…

Một triển vọng mới đầy hứa hẹn như vừng đông đang rạng…