Hệ thống chiếu sáng tích hợp giám sát thông số môi trường cho rau mầm

TS. Bùi Đình Tú và các cộng sự tại Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano (Đại học Công nghệ, ĐHQGHN) đã phát triển thành công hệ thống đèn LED chiếu sáng cho cây rau mầm tích hợp các công thức cá thể hoá ánh sáng và hệ thống giám sát thông số nông nghiệp, đáp ứng khả năng sinh trưởng và phát triển cây trồng hiệu quả nhất.

Hệ thống đã được thử nghiệm trong quá trình chăm sóc cây dưa lưới.

Không phải là một công nghệ xa lạ trong các nhà kính trồng rau sạch, phương pháp chiếu sáng bằng đèn LED từ lâu đã được sử dụng nhằm cung cấp ánh sáng giúp cây trồng có thể quang tổng hợp để phát triển, thay thế cho các chất kích thích sinh trưởng có hại. Với tầm quan trọng của mình, đèn LED chiếu sáng trong nhà kính đã có nhiều cải tiến so với trước đây, thậm chí hiện tại đã có những loại có thể chiếu sáng với các dải ánh sáng phổ hẹp, với các bước sóng giúp cây trồng có thể quang hợp một cách tốt nhất.

Tuy nhiên, những cải tiến ấy dường như vẫn chưa đủ để TS. Bùi Đình Tú hài lòng. Anh muốn phát triển một hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED có thể điều khiển tự động để hỗ trợ đầy đủ quá trình nảy mầm của hạt. Như vậy hệ thống này không chỉ có đèn LED mà có cả nhiều thành phần tích hợp lại để có ‘nhiều tính năng trong một’.

Hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED cho cây rau mầm được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng giải pháp hữu ích số 2-0002827 của nhóm TS. Bùi Đình Tú liệu sẽ có những cải tiến gì đặc biệt?

Tìm cường độ chiếu sáng phù hợp với từng loại hạt

Thực chất, Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano vốn đã có nhóm nghiên cứu mạnh về thiết bị quang, nên việc chế tạo ra một hệ thống ánh sáng có thể bật-tắt tự động và giám sát các thông số dường như không phải là điều quá khó khăn, “cái khó ở đây là làm thế nào để biết nhu cầu chiếu sáng của từng cây và tích hợp vào hệ thống chiếu sáng do mình thiết kế”, TS. Bùi Đình Tú phân tích trở ngại lớn nhất của mình lúc bấy giờ.

Vấn đề này liệu có quá sức đối với một người không nghiên cứu chuyên sâu về sinh học? “Tất nhiên, dù là người yêu thích nông nghiệp và quan tâm đến việc áp dụng công nghệ cao vào chăm sóc cây trồng, nhưng tôi biết mình chỉ là một ‘tay ngang’ trong lĩnh vực này”, TS Bùi Đình Tú thừa nhận, “chúng tôi quyết định điều chỉnh hệ thống ánh sáng này, thay đổi bước sóng cũng như cường độ chiếu sáng theo nhiều cách khác nhau, phân tích vi lượng trong rau theo từng thông số một.” Nói cách khác, nhóm nghiên cứu đã tiến hành quá trình “thử và sai” liên tục để có thể tìm ra được phương án phù hợp nhất.

Việc tiến hành đo, phân tích để ghi nhận những chỉ số trong từng điều kiện nhất định đã đem lại cho nhóm nghiên cứu của TS. Bùi Đình Tú những thông tin quý báu. Chẳng hạn, với rau mầm củ cải trắng, lá hấp thụ ánh sáng tốt nhất khi các chip LED xanh có dải bước sóng nằm trong khoảng từ 460 đến 480 nm và các chip LED đỏ có dải bước sóng nằm trong khoảng từ 642 đến 670 nm, chip LED UV gần có bước sóng từ 405 đến 417 nm. Dựa trên thông số này, nhóm sẽ tích hợp dữ liệu vào trong hệ thống chiếu sáng để cho ra công thức chiếu sáng phù hợp theo từng loại cây khác nhau.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm rau trồng từ đậu xanh, đậu tương, đậu đen, rau mầm họ cải như củ cải trắng, củ cải đỏ, củ cải ngọt, mầm rau muống và mầm hướng dương. Nhóm nhận thấy, “việc chiếu sáng lúc này đóng vai trò là tác nhân ánh sáng tiêu cực, ức chế cây phát triển; và để tồn tại được, cây rau mầm đã sinh ra nhiều vitamin C, một chất chống oxy hóa ở các phản ứng trao đổi giúp bảo vệ cây, do đó hàm lượng vitamin C trong rau mầm sẽ tăng lên”. TS. Bùi Đình Tú nêu ví dụ về kết quả thử nghiệm của cây rau mầm củ cải trắng: sau bảy ngày trồng hạt giống củ cải trắng thì mẫu thí nghiệm cho thấy câu phát triển rất tốt, thân mập, lá xanh to, chiều cao trung bình cây xấp xỉ 13,5cm, hàm lượng nước cao hơn đạt 94,77%. Sản lượng ở mẫu thí nghiệm thu được 910 gram rau/100 gram hạt giống ở ngày thứ năm (gần gấp đôi so với mẫu đối chứng ở ngày thứ bảy). Bên cạnh đó, hàm lượng vitamin C của mẫu thí nghiệm cũng cao hơn khoảng 1,63 lần so với điều kiện chiếu sáng tự nhiên.

Phát triển thành hệ thống giám sát tích hợp

Thực chất, nhóm của TS. Bùi Đình Tú không phải là nhóm nghiên cứu đầu tiên quan tâm đến việc cải tiến đèn LED chiếu sáng trong nông nghiệp. Chẳng hạn, cách đây hơn năm năm, Công ty Cổ phần Bóng đèn Phích nước Rạng Đông đã hợp tác với Viện Sinh học Nông nghiệp (Học viện Nông nghiệp Việt Nam) và Viện Tiên tiến KH&CN (Đại học Bách khoa Hà Nội) nghiên cứu thành công và thương mại hóa sản phẩm đèn LED dùng trong chiếu sáng nhân tạo nông nghiệp công nghệ cao tại thị trường Việt Nam giúp tiết kiệm được con chip, tiết kiệm được nguyên liệu sản xuất và đem lại nguồn sáng đồng đều hơn, các cây đều có thể nhận đủ ánh sáng xanh đỏ ngay cả khi chiếu ở diện tích lớn.

Tuy nhiên, nhóm của TS. Bùi Đình Tú đã có một bước chuyển mới khi tích hợp thêm nhiều tính năng giám sát khác để biến công nghệ này thực sự trở thành thiết bị tiện dụng trong sản xuất nông nghiệp. Cụ thể, trong quá trình phát triển hệ thống đèn LED, anh nhận ra rằng, trên thị trường có tồn tại rất nhiều dạng sản phẩm khác nhau phục vụ sự phát triển của rau mầm nhưng chung quy lại có hai dạng chính: hoặc là dừng lại như một hệ thống chiếu sáng riêng lẻ hoặc là chỉ quan tâm đến nhiệt độ, độ ẩm, độ pH... Do đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một thiết bị tích hợp bao gồm các module cảm biến như cảm biến cường độ ánh sáng, độ ẩm không khí, nhiệt độ, độ pH, có khả năng hiển thị, điều khiển từ xa thông qua kết nối internet, mạng GSM,… thông qua phần mềm được thiết kế riêng biệt. Hơn thế, họ có thể điều chỉnh số lượng cảm biến được kết nối tùy thuộc vào nhu cầu của người dùng.

Ưu điểm của hệ thống tích hợp của TS. Bùi Đình Tú so với các thiết bị hiện có trên thị trường chính là cảm biến. “Các thiết bị cảm biến ở nước ngoài khá đắt, nếu mua loại rẻ thì lại dễ bị hỏng. Ngoài ra, các cảm biến nước ngoài rất dễ bị ăn mòn bởi điều kiện đặc thù trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Do đó, chúng tôi phát triển cảm biến này với mong muốn mang lại một sản phẩm chất lượng với giá thành phải chăng”, anh nói. Thế mạnh của dân vật lý kỹ thuật đã giúp anh và cộng sự thiết kế và chuẩn hóa cảm biến với những vật liệu, linh kiện chống chọi sự ăn mòn trong quá trình điện hóa, phù hợp với môi trường để nâng cao độ bền cho sản phẩm. “Thêm vào đó, hệ thống này tích hợp các điều kiện phù hợp với sự sinh trưởng của từng loại cây trồng trong điều kiện khí hậu của Việt Nam. Đó là những khác biệt lớn nhất trong sản phẩm của chúng tôi’, anh nói.

Hệ thống tích hợp “nhiều trong một này” có thể cho phép người sử dụng bên cạnh chăm sóc rau mầm giám sát thêm thông số và chiếu sáng theo công thức phù hợp những loại hoa và cây trồng khác như hoa lan hồ điệp, hoa ly hay dưa lưới. Những tính năng hữu ích này của hệ thống đã thuyết phục được Trung tâm công nghệ sinh học – Viện Nghiên cứu ứng dụng và Phát triển trường Đại học Hùng Vương (Phú Thọ) hợp tác với nhóm trong chuyển giao cho các trung tâm và các hộ trồng lan trong cả nước.

Nhưng tương lai của một thiết bị hữu dụng như vậy không chỉ dừng ở đó. Khi đề cập đến triển vọng của sản phẩm, TS. Bùi Đình Tú tỏ ra lạc quan: “ĐHQGHN vừa số hóa các sản phẩm khoa học công nghệ, đăng tải lên mạng để các bên có nhu cầu có thể tìm hiểu và liên hệ. Cách đây một tuần, chúng tôi cũng đã đưa thông tin đầy đủ của sản phẩm này lên hệ thống”. Trong thời gian chờ đợi, nhóm nghiên cứu vẫn đang sử dụng công nghệ này như một ‘nền tảng’ để các sinh viên nghiên cứu về lĩnh vực quang tử, chiếu sáng hay kỹ thuật năng lượng tự trau dồi và tìm hiểu cách thức đo đạc, phân tích nguồn chiếu sáng. “Ánh sáng sẽ còn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, vì vậy không có lý do gì để không tin tưởng vào tiềm năng của nó”, anh gợi mở.

Theo Khoahocphattrien