Properea

Indoor Farming Photosynthetic… การสังเคราะห์แสงของพืชผักในอาคาร

Indoor Farming photosynthesis

อาชีพเกษตรกรรมแต่ไหนแต่ไรมา ล้วนอ้างอิงธรรมชาติและพึ่งพาธรรมชาติ โดยเฉพาะการเพาะปลูกที่ต้องพึ่งดินพึ่งน้ำพึ่งฤดูกาล เพราะพืชผักที่มนุษย์ใช้ดำรงชีวิตมาตั้งแต่ยุคขวานหินล่าสัตว์ มนุษย์คุ้นชินกับการกินพืชผักที่งอกจากดิน ซึ่งดินทำหน้าที่ช่วยกักน้ำกักปุ๋ยและประครองลำต้นเติบโตรับแสงแดด

การเตรียมแปลงเกษตรบนดินเพื่อหว่านพืชหวังผล จึงเป็นงานและภาระหนักของเกษตรกรมานาน โดยมีตัวแปรอย่างน้ำเลี้ยงรากและแดดส่องใบ เป็นตัวแปรสำคัญว่าจะได้ผลผลิตมีคุณภาพแค่ไหนอย่างไรและเท่าไหร่อีกด้วย

ประเด็นก็คือ… ค่าใช้จ่ายเตรียมดินปลูกพืชโดยทั่วไปไม่เคยราคาถูก ในขณะที่การหาน้ำให้พืชอย่างเพียงพอและสม่ำเสมอก็ไม่เคยปรากฏว่าราคาถูก และการควบคุมแสงส่องใบรวมทั้งอุณหภูมิแปลงปลูก… ก็ไม่ได้ง่ายที่จะจัดการ

โจทย์เรื่อง “ทำยากให้ง่าย” ในการจัดการเมื่อต้องผลิตพืชผัก จึงเป็นความท้าทายใหญ่ที่นักวิทยาศาสตร์การเกษตร และนักเทคโนโลยีการเกษตร หาทางเข้าไปควบคุมจัดการวงจรการผลิตพืชผัก ให้ได้ผลผลิตตามต้องการ

การพยายาม “ทำยากให้ง่าย” อย่างการเตรียมดิน หรือเตรียมแปลงปลูก มนุษย์เรียนรู้และถ่ายทอดเทคนิคการขุดดินใส่ปุ๋ยกำจัดวัชพืชมานาน และวิวัฒนาการเรื่องเตรียมแปลงปลูกก็ก้าวไกลเลยยุคแรงงานคนหรือสัตว์ มาถึงยุคเครื่องจักรอัตโนมัติและ AI เรียบร้อย

ในขณะที่ความพยายามในการ “แก้ยากให้ง่าย” เรื่องน้ำเพาะปลูก มนุษย์ก็เรียนรู้และถ่ายทอดเทคนิคการทำชลประทาน ไปจนถึงทำฝนเทียมได้แล้ว แม้สุดท้ายจะยังเหลือโจทย์ให้แก้อีกมากเรื่องน้ำท่วมฝนแล้ง

ส่วนเรื่องแสงและอุณหภูมิ ที่พืชผลใช้เป็นพลังในการเติบโตจนออกดอกออกผล มนุษย์กลับควบคุมอะไรแทบไม่ได้เลย ทั้งๆ ที่เป็นปัจจัยสำคัญหนึ่งในสามของการเจริญเติบโตของพืชผัก

แนวคิดการปลูกพืชในอาคารจึงพัฒนาบนพื้นฐานการควบคุมแสงกับน้ำเป็นสำคัญ… ซึ่งพื้นฐาน Indoor Farming Technology ที่ขาดไม่ได้แน่ๆ จึงมุ่งไปที่กลไกการจัดการน้ำและความชื้นโดยอัตโนมัติและชาญฉลาด เหมือนๆ กับที่ต้องการกลไกอัตโนมัติเรื่องแสงและอุณหภูมิอันชาญฉลาดอย่างยิ่งด้วย

วันนี้เลยขอตัดเอาหลักคิดและความรู้พื้นฐานเรื่องการจัดการแสงใน Indoor Farming มาสรุปเอาไว้พอเป็นแนวทางให้ Properea Fan ที่มีสอบถามเข้ามาสองสามท่าน!… ซึ่งเรื่องผิดพลาดที่สุดของการทำ Indoor Farming จากการพูดคุยสอบถามได้คือเรื่องแสง 

ซึ่งแสงสำคัญในกระบวนการสังเคราะห์แสงหรือ Photosynthetic Action Spectrum… ง่ายๆ คือ แสงไม่พอพืชไม่โต แสงเกินพอต้นไม้ตาย และต้นไม้ต่างชนิดกันต้องการแสงไม่เหมือนกัน… ธรรมชาติของพืชผักและต้นไม้จึงปรับตัวอยู่รอดกับสภาพแสงจนกลายเป็นความหลากหลายทางชีวภาพ และเมื่อเราต้องการจะเลี้ยงพืชเหล่านั้นมาเป็นอาหาร เราจึงต้องเลียนแบบธรรมชาติเพื่อเลี้ยงพืชให้เป็นผลผลิต

ประเด็นก็คือ ธรรมชาติของต้นไม้พืชผักแต่ละชนิด ต้องการแสงไม่เหมือนกัน ทั้งๆ ที่โดยธรรมชาติของพืชผักเหล่านี้ พัฒนามาจากแหล่งกำเนิดแสงเดียวกันคือแสงอาทิตย์… พืชบางชนิดโตสวยเขียวกลางแดด แต่บางชนิดเจอแดดตรงๆ ใบไหม้ทันทีก็มี

ท่านที่เคยเรียนวิทยาศาสตร์จะรู้ว่า ในแสงสีขาวจะมีหลายช่วงคลื่นปนกันอยู่ เพียงแต่ตาธรรมชาติของมนุษย์มองไม่เห็นความต่างของช่วงคลื่นแสงละเอียดขนาดนั้น ส่วนพืชผักก็ไม่ได้ปลื้มแสงทุกช่วงคลื่นที่เอาปริซึมคลี่ดูจะเห็นคลื่นแสงหักเหไม่เท่ากัน สาดสีเป็นแถบสายรุ้งให้ตามนุษย์ได้เห็นความมหัศจรรย์ของแสง และธรรมชาติของพืชผักส่วนใหญ่ “ต้องการแสงเพียงบางช่วงคลื่นในบางเวลาเท่านั้น”

การทำ Indoor Farming แบบจัดแสงสีขาว หรือ Daylight เลียนแบบแสงอาทิตย์ หรือจัดแสงนวลตา หรือ Cool White เลียนแบบแสงธรรมชาติ หรือจัดแสงแบบแนวอบอุ่น หรือ Warm White เลียนแบบแสงเทียน… จึงเป็นการไม่เหมาะสมทั้งเรื่องสิ้นเปลืองกระแสไฟฟ้าเกินจำเป็น และเพิ่มอุณหภูมิห้องโดยไม่จำเป็นเช่นกัน

เพราะหลอดไฟแบบ Daylight, Cool White, และ Warm White ที่ใช้กันทั่วไปทุกกำลังส่องสว่าง ให้กำเนิดแสงทุกช่วงคลื่นออกมาเหมือนแสงอาทิตย์ ซึ่งพืชแต่ละชนิดแต่ละเวลาใช้ช่วงคลื่นเพียงย่านเดียวในการสังเคราะห์แสง… ซึ่งแปลได้ว่า เมื่อเราเปิดไฟส่องสว่างให้พืชผักในร่มของเราได้สังเคราะห์แสง พืชผักใช้แค่ความถี่ย่านเดียวและที่เหลือคือสูญเปล่า… แค่เราแบ่งช่วงคลื่นหยาบๆ ตามสเปกตรัมสีรุ้งพื้นฐาน 7 ย่าน พืชผักของเราจะใช้แค่ 1 และทิ้งไป 6 เลยทีเดียว

การจัดแสงใน Indoor Farming จึงเป็นเรื่องละเอียดอ่อนที่ Indoor Farmer จะต้องเข้าใจพื้นฐานนี้ก่อนเป็นเบื้องต้น

เมื่อกลับมาพิจารณา Photosynthetic Action Spectrum ของพืชผัก นักวิทยาศาสตร์จึงกำหนดวิธีการวัดและประเมินค่าของแสงในกลไกการสังเคราะห์แสงของพืชออกมาเป็น 4 ตัวชี้วัดเฉพาะ ซึ่งแตกต่างจากตัวชี้วัดทางสถาปัตยกรรมที่ใช้ออกแบบแสงสำหรับมนุษย์ที่วัดค่ากันเป็นแรงเทียน Lumen, Lux หรือ Watt ซึ่งตัวชี้วัดหรือมาตรวัดค่าแสงสำหรับพืชทั้ง 4 ตัวประกอบด้วย

1. PAR หรือ Photosynthetically Active Radiation… คือค่าของแสงในช่วงความถี่ 400-700 นาโนเมตร ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พบว่า แสงในช่วงความถี่ 400-700 nm คือช่วงแสงที่มีประโยชน์ต่อการสังเคราะห์แสงของพืช… ค่า PAR เป็นค่าคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดแสง PAR หรือหลอดไฟหลอดนั้นให้แสง PAR เท่าไหร่

2. PPF หรือ Photosynthetic Photon Flux… คือการวัดอัตราแสง PAR ที่แหล่งกำเนิดแสง PAR ในช่วงความถี่ 400-700 nm ปล่อย Photons ออกมาต่อหนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งค่าปกติคือ PAR ต่อวินาที มีหน่วยวัดเป็นไมโครโมลต่อวินาที หรือ μmol/second… ค่า PPF ก็ยังเป็นคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดแสงหรือหลอดไฟเช่นกัน

3. PPFD หรือ Photosynthetic Photon Flux Density… คือค่าความหนาแน่นของ Photons จากแหล่งกำเนิดแสงที่พืชดูดซับไปใช้ในการสังเคราะห์แสง ซึ่งในทางเทคนิคก็คือการวัดค่า PPF ที่มาถึงใบพืชที่ทำหน้าที่ดูดซับแสงไปใช้ ซึ่งค่า PPFD ที่ได้จะบอกถึงประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงโดยตรงของพืชผักได้ด้วย ค่า PPFD จึงมีหน่วยวัดเป็นไมโครโมลต่อตารางเมตรต่อวินาที หรือ μmol /m2/s อ้างอิงตัวแปรพื้นที่เพิ่มเข้ามา

4. DLI หรือ Daily Light Integral… คือค่าของแสงที่พืชผักได้รับต่อวัน ซึ่งพืชแต่ละชนิดต้องการแสงต่อวันแตกต่างกันไปที่ Indoor Farmers ต้องเรียนรู้ธรรมชาติของพืชผักที่จะปลูก เพราะนอกจากจะต้องให้แสงในระดับที่ PPFD เหมาะสมแล้ว ยังต้องรู้ว่าแต่ละวันต้องให้ไปนานกี่ชั่วโมงนาที… น้อยไปก็ลดประสิทธิภาพ มากไปก็เปลืองค่าไฟเปล่า… ค่า DLI มีหน่วยเป็นไมโครโมลต่อตารางเมตรต่อวัน หรือ μmol/m2/d

ประเด็นทางเทคนิคเรื่องแสงใน Indoor Farming เป็นเรื่องละเอียดอ่อนมากครับ ซึ่งความเห็นส่วนตัวมองว่าเป็นเรื่องหลักเรื่องแรกของการออกแบบโรงเรือนทำ Indoor Farming… ข้อมูลแสงอย่าง PPFD และ DLI ของพืชที่จะปลูกกับหลอดไฟที่จะลงทุน รวมทั้งโครงสร้างเพื่อติดตั้งหลอดไฟแหล่งกำเนิดแสง… ต้องรู้ก่อน คิดก่อนและออกแบบอย่างดีก่อนจะได้ไม่วุ่นวายทีหลัง

ขาดเหลือหลังไมล์มาครับ… Line @properea ยินดีพูดคุย

อ้างอิง