Quale luce?
Bene, dopo aver visto le esigenze umane e quelle vegetali in fatto di luce, possiamo affermare che:
- le unità di misura comunemente utilizzate (lumen, Kelvin) non hanno alcuna rilevanza botanica;
- nonostante questo saremo costretti a utilizzare il lumen come parametro per valutare l’emissione di una lampada per il semplice fatto che è l’unico parametro che viene attualmente fornito (a parte rari casi in cui viene fornito il PPF);
- il PPF è decisamente meglio del lumen ma non risolve tutte le sue carenze ed è molto raramente indicato sulle schede tecniche delle lampade;
- il PUR è uno spettro di misura decisamente più adatto a descrivere l’efficacia fotosintetica mentre lo spettro YPF è quello più vicino alle reali esigenze delle piante;
- le piante sviluppano la fotosintesi principalmente con la luce rossa e blu ma anche verde e utilizzano tutto lo spettro visibile (e oltre) per le proprie necessità;
- la misura della sola intensità della luce (in qualunque unità sia espressa) non è sufficiente per qualificare l’efficienza visiva e botanica di una lampada senza conoscere lo spettro di emissione.
Già, lo spettro di emissione! Le piante si sono evolute, nel corso di milioni di anni, sotto la luce del sole il cui spettro di emissione è il seguente:
Non c’è motivo di credere che non si siano specializzate per sfruttare tutto lo spettro a disposizione (e, come abbiamo visto, alcune ricerche universitarie lo hanno dimostrato).
Se avessimo una lampada in grado di emettere questo spettro dovremmo occuparci solo di regolarne l’intensità e decidere il fotoperiodo. Sfortunatamente non è così.
Nell’immagine qui sopra possiamo vedere un panorama di spettri delle più comuni fonti di illuminazione. Paradossalmente sembra che le fonti che funzionano meglio, soprattutto con le piante difficili, siano quelle che meno assomigliano alla luce solare (HQI, T5).
Capire il perché di questo fatto porterebbe a colmare definitivamente il divario che rimane tra T5 e LED nella coltivazione di alcune piante rosse particolarmente esigenti.
Mi limito a farvi notare che nei T5 e nelle HQI la maggior parte dell’energia luminosa è concentrata nei picchi mentre nei LED c’è una maggiore distribuzione lungo tutto lo spettro. Quindi, per forza di cose, a parità di emissione totale (lumen) i T5 hanno un’intensità molto maggiore, rispetto ai LED, su alcune lunghezze d’onda (i picchi visibili nello spettrogramma).
Personalmente credo che nel breve volgere di qualche anno non troveremo più in commercio fonti luminose diverse dai LED. Già nei giorni in cui scrivo, dopo le lampade a incandescenza, anche le lampade alogene sono state tolte dal commercio nella CE.
Probabilmente resisteranno le produzioni di lampade speciali per mercati di nicchia (e uno potrebbe essere quello dell’acquariofilia con T5 e HQI) destinate però ad avere prezzi altissimi e ad avviarsi, comunque, verso una inevitabile estinzione.
Quindi, in attesa che la tecnologia maturi i suoi tempi, vediamo quali sono le strade che i costruttori di plafoniere per acquario stanno percorrendo in fatto di LED.
I LED
Un LED è letteralmente un diodo emettitore di luce (Light Emitting Diode).
In pratica è un pezzetto di silicio purissimo a cui vengono aggiunte delle piccolissime “impurità” costituite da vari elementi chimici (Gallio, Arsenico, Piombo, Indio, Stagno ecc.). Questo cristallo, se attraversato da una corrente elettrica, emette radiazione luminosa. (Qui una trattazione più scientifica: Wiki-LED).
La caratteristica principale di questa radiazione è quella di essere essenzialmente monocromatica: cioè luce ad un’unica lunghezza d’onda (o quasi). Questa lunghezza d’onda, espressa in nm (nanometri), è caratteristica dei materiali che sono stati usati per “inquinare” il silicio (il termine tecnico esatto è “drogare”).
Quindi un LED verde emette SOLO luce verde e NON uno spettro di luce varia con dominante verde (come si otterrebbe per esempio con una lampada alogena con un filtro verde davanti).
Da qui scaturisce la seconda caratteristica saliente: emettendo solo una lunghezza d’onda, il LED non emette ne UV ne IR (tranne ovviamente i LED a ultravioletti e quelli a infrarossi), quindi non danneggia gli organismi viventi e non emette calore (almeno dal lato dove fa luce).
Come abbiamo visto la luce bianca è composta da una “miscela” di tutti i colori dello spettro; come fanno quindi i nostri LED a emettere luce bianca?
Similmente a quanto avviene nelle lampade fluorescenti (Wiki-Lampade fluorescenti) nei LED bianchi abbiamo una emissione base di luce blu (o più raramente UV) che eccita uno strato di fosforo. Questo fosforo a sua volta emette nel range verde-rosso con un picco nel giallo (Wiki-LED bianchi).
Il mix di luce blu, verde e rossa viene interpretato dal nostro sistema occhio-cervello come luce bianca.
DALLA TEORIA ALLA PRATICA
Ora dovrebbe essere chiaro il significato degli spettrogrammi che spesso si vedono accompagnare le caratteristiche delle plafoniere a LED bianchi:
è evidente il picco nel blu dovuto all’emissione del LED vero e proprio e l’emissione verde-giallo-rosso dovuta al fosforo.
A proposito di questo tipo di grafico va detto che l’emissione totale di luce è rappresentata dall’area della superficie colorata del grafico. La percentuale sull’asse delle ordinate prende a riferimento il colore con intensità massima (posto a 100). Per esempio, nel grafico in figura, l’intensità dell’emissione nel verde a 555 nm è circa il 65% rispetto all’intensità del blu a 460 nm. Questo tipo di LED viene utilizzato nella maggior parte delle plafoniere.
Un altro modo per fare luce bianca è utilizzare tre LED (rosso+verde+blu: RGB), come già visto il nostro occhio effettuerà una mediazione e avremo la percezione di luce “bianca”.
Variando l’intensità dei LED rossi e blu potremo avere dei bianchi più o meno caldi. Come emissione in lumen (vi ricordo che vale solo per la vista umana) questa soluzione è meno efficiente anche se, di sicuro, le piante apprezzeranno l’abbondanza di rosso e blu. Questo tipo di approccio è utilizzato da pochissimi costruttori (ADA Solar RGB per esempio).
Una terza via, che sembra andare per la maggiore al momento in cui scriviamo, è la somma delle due precedenti: un mix bilanciato di LED rossi, verdi, blu, bianco caldo e bianco freddo. Questo sistema garantisce una buona resa cromatica (soprattutto sulle tonalità del verde), una intensità percepita piuttosto alta e uno spettro più completo per le piante. Rovescio della medaglia: costi di sviluppo e di produzione più alti.
Nella foto sopra (cortesemente fornita da Easyriver) potete vedere questo tipo di plafoniera (nella parte alta a luminosità ridotta). Notate come i LED bianchi e il verde appaiano molto più luminosi rispetto ai blu e ai rossi nonostante la potenza sia la stessa per tutti: i più attenti sanno il motivo.
Lo spettro è quello della figura seguente (tutti i LED accesi alla massima intensità).
Da notare la maggiore presenza di rossi (dovuta ai LED bianco-caldo e ai LED rossi) e una buona presenza di verde.
MEZZE VERITà
Vediamo ora di sfatare un po’ di luoghi comuni sull’illuminazione in acquario e lo facciamo sfruttando la logica e le conoscenze ormai ben consolidate in campo tecnico-scientifico.
La luce delle lampade HQI penetra di più la colonna d’acqua.
Vero ma non per i motivi che si credono.
Non è il “tipo di luce” che influisce sulla penetrazione nell’acqua. Sappiamo che la luce blu (più energetica) penetra più in profondità ma le HQI non hanno uno spettro prevalentemente blu. I fattori che producono questa maggior penetrazione sono l’alta potenza unitaria (dai 70W in su) e la concentrazione quasi puntiforme dell’emettitore unita alla presenza di una efficiente parabola.
I LED di potenza (dai 3W in su) hanno caratteristiche che permettono una buona penetrazione in colonna soprattutto se dotati di lenti ottiche.
I LED favoriscono le alghe
Ma anche no.
Spesso si legge che i LED favoriscono le alghe, o anche che il LED “scadenti” favoriscono le alghe.
Sicuramente chi fa queste affermazioni ha avuto esperienze negative, ma siamo sicuri che la colpa sia stata proprio dei LED?
La nostra vasca non era forse nelle condizioni ideali per favorire le alghe già prima di passare ai LED (Alghe: un po’ di chiarezza)?
Per mia esperienza personale posso tranquillamente affermare che non c’è nessuna correlazione diretta tra LED e alghe.
Ho condotto per anni una vaschetta con piante illuminata da un T8 AquaGlo a 18000K (si, diciottomila! Cattivi consigli) con una storia di alghe varia: da zero alghe a invasioni complete (compresi tappeti di cianobatteri).
Ogni invasione è sempre regredita, in tanto o poco tempo, senza fare uso di chimica e senza cambiare la luce (non per scelta ma per ignoranza). Solo con tanta pazienza.
Per un anno, poi, la vasca è stata illuminata da LED “scadenti” (molto scadenti), e il comportamento dal lato alghe è stato uguale. Anzi, grazie a una più consapevole gestione globale, direi che la situazione alghe è molto migliorata e questo nonostante la quadruplicazione del flusso luminoso (da meno di 300 a oltre 1200lm).
Le esperienze negative di chi addossa ai LED la colpa delle alghe va cercata nel repentino cambiamento da luce neon a luce LED che, come abbiamo visto, hanno uno spettro molto diverso e, spesso, una intensità molto diversa. Come per ogni altro cambiamento (regime di fertilizzazione e parametri dell’acqua quali kh, gH, pH e temperatura) le piante reagiscono in genere con un blocco della crescita che, se non opportunamente gestito, lascerà un sacco di nutrienti in vasca a tutto vantaggio delle alghe.
Quindi se fate il salto da neon a LED, ricordatevi di farlo come si deve.
Ripartite con la luce come se la vasca fosse nuova: fotoperiodo a 6 ore per la prima settimana e aumentate mezz’ora ogni settimana successiva fino ad arrivare allo stesso fotoperiodo che avevate prima della sostituzione.
Occhio all’intensità: probabilmente passate da tubi quasi esauriti a una lampada LED con un sacco di lumen: un dimmer potrebbe aiutare per abituare gradualmente le piante alla nuova intensità. Al contrario, se avete comprato quelle mini plafo da pochi euro e pochissimi Watt (dai 2 ai 5W) avrete meno luce di prima e anche questo può portare al rallentamento della crescita delle piante (evitate questo tipo di palfo LED).
Riducete la fertilizzazione: con meno luce le piante mangeranno meno, non lasciate cibo alle alghe.
Non fate potature, non introducete nuovi ospiti (ne animali ne vegetali), controllate i valori dell’acqua e curate la pulizia. Al minimo accenno di alghe fate un cambio e mettete il carbone attivo nel filtro per una settimana.
Passato un mesetto riavrete il pieno possesso della vostra vasca pronta per nuove avventure.
I LED non scaldano
Anche questa affermazione è vera a metà. I LED non emettono infrarossi (a differenza delle lampade a incandescenza) quindi non “proiettano” calore in acqua. In compenso il chip scalda e, a volte, anche parecchio. E questo ci porta al punto successivo.
I LED consumano meno delle altre fonti.
Il calore prodotto da qualunque dispositivo (che non sia pensato per produrre calore, tipo una stufetta elettrica) è uno spreco di energia tanto più alto quanto più il dispositivo è inefficiente. Il calore, insomma, è segno di inefficienza. Un buon LED bianco converte in luce il 20% dell’energia fornita. Tutto il resto va perso in calore. Se il 20% vi sembra poco pensate che le vecchie lampade a incandescenza avevano un efficienza del 2% [1].
Le leggi della fisica ci permettono di calcolare anche la massima efficienza teorica possibile per i LED con le tecnologie attuali che è del 44%. Questo corrisponde a circa 300 lm/W, risultato raggiunto in laboratorio da Cree già nel 2014 (Cree First to Break 300 Lumens-Per-Watt Barrier).
Al momento in cui scrivo, però, la resa massima dei LED commerciali arriva a 200lm/W e, sfortunatamente, sono in commercio anche LED scadenti con rese di poco superiori ai 50lm/W con medie di 80lm/W. Se consideriamo che il moderni neon T5 arrivano facilmente a 105lm/W capite che un BUON neon T5 può consumare la metà di un LED molto SCADENTE. Fate quindi attenzione a questo particolare al momento dell’eventuale acquisto.
Criteri di scelta
Se avete avuto la pazienza di arrivare sin qui, vi sorgerà spontanea una domanda: “E ora cosa compro?”.
Vediamo quindi di tradurre tutta la teoria sin qui illustrata in qualche criterio pratico che ci aiuti a districarci nell’offerta di plafoniere LED.
Iniziamo col dire che, come in ogni tecnologia umana, la perfezione non esiste.
Dovremo quindi scegliere il compromesso ideale in funzione delle nostre esigenze.
La prima scrematura si fa ragionando sul tipo di vasca che vogliamo fare.
Vasche dove le piante hanno un ruolo secondario o sono totalmente assenti.
Es: le vasche per ciclidi africani, alcuni i biotopi, le vasche per carassi, ecc.
In queste vasche non dovremo preoccuparci della fotosintesi quindi la funzione della plafoniera sarà solo quella di illuminare adeguatamente la vasca. Una normale luce bianca con CCT a 6500K funzionerà a dovere. Se avete ciclidi molto colorati un mix 10-12000K e 3000K (50% cad.) oppure una “natural light” a 5000K dovrebbe esaltare bene tutti i colori. In un biotopo con acqua ambrata potrebbe essere interessante una luce fredda (8-10000K) per contrastare la tonalità calda dell’ambiente. Come avrete capito è solo questione di gusti. Anche la potenza installata sarà legata al vostro gusto e alle caratteristiche dei pesci ospitati.
Vasche di comunità con pesci e piante.
In questa categoria ricade la grande maggioranza degli acquari che troviamo nelle case italiane.
Normalmente le piante saranno poche e a crescita lenta (e questo è un errore: Tecniche di avvio – 2). Tipicamente Microsorum e Anubias, più raramente anche Cryptocoryne. Queste piante si accontentano di poca luce e pochi nutrienti ma il meglio di sé lo danno con buona illuminazione e giusta fertilizzazione. Con scarsità di luce e di nutrienti queste piante tenderanno a coprirsi di alghe. Non facciamo quindi mancare una illuminazione con almeno 30-40lm/l di intensità. Una CCT attorno a 6500K darà risultati soddisfacenti.
Vasche basate sulle piante.
Es. plantacquari, acquari olandesi e danesi, vasche con piante rare.
In questo tipo di vasche occorre pensare attentamente l’impianto luci. Le esigenze in fatto di intensità iniziano ad essere importanti e, soprattutto, potranno cambiare in seguito all’introduzione di una nuova specie più esigente o al diffondersi sulla superficie di piante che amano “strisciare” (per esempio la Rotala r., Limnophila s.).
L’intensità andrà prevista sui 50-70lm/l ma con specie abituate in natura a forti intensità (essenzialmente le specie palustri) potremo salire anche a 100lm/l e oltre.
Essenziale in questi impianti un sistema di regolazione dell’intensità per poter far fronte a tutte le evenienze.
In queste vasche, infatti, la grande intensità luminosa richiesta e l’abbondanza di nutrienti può favorire le alghe. È quindi una buona idea non erogare la potenza massima per tutto il fotoperiodo ma fornire il massimo solo nelle ore centrali, proprio come avviene in natura.
Lo spettro anche qui partirà da una base a 6500K ma non è raro trovare plafoniere a 7-8000K. La presenza di led colorati RGB aumenterà l’intensità PAR senza dare un aspetto troppo luminoso (grazie a R e B) e colori più vivaci (grazie a G).
Come abbiamo visto nella trattazione sulla “luce delle piante“, la salute dei vegetali richiede una luce ricca di tutte le componenti cromatiche quindi un sistema di illuminazione con un alto CRI aiuterà le piante e accontenterà anche la nostra vista.
Aquascaping.
L’arte dell’acquario-natura si sta sempre più diffondendo e anche questa affascinante categoria di vasche richiede qualche accorgimento.
Normalmente le piante utilizzate non sono particolarmente esigenti. Pratini, muschi, felci, hygrophile, bucephalandre, insomma piante verdi, facili e d’effetto.
Con queste categorie di piante i LED danno il meglio e possiamo tranquillamente dire che questa tecnologia ha ormai superato le altre.
In queste vasche non è richiesta una grande velocità di crescita quindi anche i regimi di fertilizzazione non sono particolarmente spinti. Di conseguenza la potenza non deve essere esagerata. In queste vasche difficilmente si superano i 50-60lm/l. Piuttosto diventa molto importante la resa cromatica. In una vasca dove i colori dominanti sono il grigio delle rocce e il verde delle piante, luci troppo intense o con basso CRI tendono ad appiattire l’aspetto visivo togliendo fascino alla vasca.
In particolare con la luce sbagliata i verdi saranno tutti uguali mentre una lampada ad alto CRI evidenzierà tutte le sfumature più delicate sia delle rocce che delle piante. Anche le zone in ombra guadagneranno profondità.
Considerazioni tecniche
Dopo le considerazioni botaniche vediamo dal lato tecnico cosa va considerato nella scelta del sistema di illuminazione.
A mio avviso i parametri più importanti sono il rendimento elettrico e la vita media della plafoniera. E’ un discorso economico ed ecologico. Risparmiare energia fa bene al pianeta e al portafoglio.
Purtroppo i dispositivi più efficienti sono anche i più costosi ma tenete conto che una plafoniera prodotta con LED di qualità avrà una resa superiore e anche una vita superiore.
I migliori LED in commercio hanno una durata utile che può arrivare alle ottantamila ore: sono 27 anni con accensione di otto ore al giorno. Questo con rese attorno ai 150lm/W.
Tanto per fare un confronto le strip LED economiche provenienti dalla Cina hanno rese attorno agli 80lm/W e durata che difficilmente arriva a trentamila ore.
Parliamo di consumo quasi doppio e durata dimezzata.
Pensateci quando confrontate il prezzo di una plafoniera di marca con quello di una plafoniera economica.
Sempre sull’onda della qualità sono da preferire le plafoniere costruite in metallo; quelle in plastica avranno una peggiore dissipazione del calore quindi presumibilmente una vita più breve.
Se avete pesci è utile anche un sistema di alba/tramonto che permetta un passaggio dolce tra buio e luce e viceversa.
Quanto all’intensità, come abbiamo visto, dobbiamo accontentarci di valutarla in lumen. Il range di intensità di emissione utile va dai 30 ai 100lm/litro ma può arrivare anche a 120lm/l. L’ideale sarebbe sovra-dimensionare l’impianto e disporre di una centralina di controllo in grado di dosare a piacimento l’intensita.
E Il lux?
A proposito di intensità sarebbe utile e interessante iniziare a parlare di lux sul fondo vasca anzichè di lumen. Il lux non ha valenza botanica essendo comunque riferito allo spettro visibile (1 lux = 1 lm/m2 quindi lumen misurati sulla superficie illuminata) ma è facilmente misurabile con strumenti economici.
Misurare i lux a fondo vasca potrebbe darci indicazioni sullo stato di efficienza nel tempo del nostro impianto di illuminazione comprendendo sia lo stato di usura della sorgente (LED o neon che sia), che quello degli eventuali vetri, parabole ecc.
Si potrebbe anche verificare la distribuzione della luce sulla superficie di tutta la vasca andando a individuare zone buie (difficilmente valutabili a occhio) o capire quanto attenuano le piante galleggianti. Si potrebbero anche misurare il lux su una certa pianta e capire se riceve la stessa luce della sorella posta a 10 cm di distanza ma che cresce il doppio.
Dove usare il lux avrebbe poco senso sarebbe nel confronto tra plafoniere diverse. Vi faccio un esempio estremo. Una normale lampada LED a 6500K confrontata con una grow-light (rosso e blu): sulla prima misureremmo tantissimi lux mentre sulla seconda pochissimi ma, sicuramente, la seconda sarebbe molto più efficace sulle piante.
Senza arrivare a questi estremi il concetto è che con il lux non si possono confrontare sorgenti luminose con spettri troppo diversi.
Conclusione
Il settore dei LED è in continua e rapida evoluzione. Nei mesi che sono serviti per scrivere questa serie di articoli ho dovuto più volte apportare correzioni per adeguare il testo alle novità presentate dai costruttori.
Quindi, per quanto concerne i LED, questo articolo diventerà obsoleto già mentre lo state leggendo.
Per esempio un orientamento che sembra prendere piede tra i costruttori cinesi è quello di utilizzare LED COB (Chip On Board), dispositivi dove molti chip vengono affiancati su un unico supporto. Ciascun chip può essere diverso come colore consentendo così una migliore composizione dello spettro.
Tanto per darvi un’idea del livello raggiunto, qui sotto potete vedere lo spettro (assimilabile a quello solare) di un COB di recente produzione:
Concludo con la promessa di tornare sull’argomento in caso di novità degne di nota.
Edit: Aggiornamenti.
Daniele Soldi
©2018
Riferimenti
[1] Wikipedia
