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Fundamentos de iluminación LED en acuarios plantados


El objeto de este artículo es estudiar las ventajas e inconvenientes de la iluminación LED centrándonos en acuarios plantados. Comenzaremos por ver unos fundamentos básicos de la iluminación en acuarios, veremos las ventajas fundamentales de los LED sobre otras tecnologías de iluminación y finalmente intentaremos ver cuáles son los tipos de LED (no las marcas ni modelos comerciales) más adecuados para favorecer la salud y crecimiento de nuestras plantas.


La naturaleza de la luz:
La luz visible es una pequeña parte de todo el espectro electromagnético:



La luz está formada por fotones que oscilan a las distintas frecuencias, dentro del ancho de banda del receptor que sería nuestro ojo, lógicamente cada frecuencia de oscilación corresponde a una longitud de onda, estando la luz visible entre los 400 y los 800 nm de longitud de onda:



Otra manera de caracterizar la luz visible es por la temperatura de luz en grados kelvin, por similitud a la variación del espectro de emisión de un cuerpo en función de su temperatura. En este modelo, podemos hablar de 1000ºk que equivale a una luz anaranjada, 6500ºk sería la luz diurna blanca y sobre los 10000ºk tenemos las luces con fuerte componente azul. 




Otra particularidad de la luz y sus distintas componentes es que las de mayor frecuencia, los azules, tienen mayor energía que los de menor frecuencia, los rojos, de este modo, las componentes cercanas al azul tienen una mayor penetración en el agua que las rojas, aspecto de sobra conocido en acuarios marinos y que es una de las razones por las que se evitan las fuentes monocromáticas rojas:




El sol como emisor de luz:

El sol como cuerpo radiante cuyo espectro de emisión tiene una parte que entra dentro del margen o ancho de banda de la luz visible. En el siguiente gráfico vemos el espectro de la luz visible del sol, en el que se comparan la intensidad de la radiación en función de la longitud de onda, dando lugar a la curva envolvente:





Medir la luz desde el punto de vista humano: Lúmenes y Lux.

El ojo humano tiene una respuesta variable a las distintas longitudes de ondas o colores de la luz, de la gráfica se deduce que el ojo humano es más sensible a los tonos amarillos, centrados en el ancho de banda visible que a los azules o rojos de los extremos. Esto determina que a una misma intensidad lumínica de dos fuentes, siempre veremos como más brillante aquella que tenga más componente amarilla. El brillo de una fuente, ponderando más el centro del ancho de banda (los amarillos) y menos los extremos (azules y rojos) determina la el flujo luminoso de una fuente en lúmenes. 


Por otro lado, la iluminancia (lx) se usa en fotometría como una medida de la intensidad aparente de la luz que llega o pasa a través de una superficie. La unidad del Sistema Internacional de iluminancia es lux (lx) es la medida de cuántos lúmenes inciden por metro cuadrado de superficie.

Está claro que ambas medidas, lúmenes y lux se refieren a cómo percibe el ojo humano la luz y no tienen nada que ver con cómo utilizan las plantas la luz.

Los vatios en ningún caso son una referencia útil, hablamos simplemente del consumo eléctrico de la fuente lumínica, así distintas tecnologías de iluminación arrojan distintas eficacias lumínicas lúmen/vatio. En este sentido, la tecnología LED es la que arroja un mejor eficacia lúminica en lúmenes por vatio y por lo tanto la de consumo más moderado.


Qué parte de la luz visible utilizan las plantas:

Las plantas acuáticas no utilizan todo el espectro visible de manera uniforme, por lo contrario, la clorofila-a tiene un máximo de absorción en el azul y otro menor en el rojo:

Aun así, hay otros pigmentos en las plantas que son sensibles a otras longitudes de onda o colores alrededor del azul y que posteriormente transfieren la energía resultante a la clorofila. Pero como vemos, las longitudes de onda intermedias del visible que van del verde al naranja son apenas útiles en la fotosíntesis.

Así se define como PAR (Photosynthetically active radiation) la parte del espectro de la luz que es utilizable por las plantas, entre los 400 nm y los 700 nm. Este parámetro se mide mediante un medidor de PAR, la unidad de medida es el µMol•m²•sec (también denominada mmol). A modo de ejemplo, 50 mmol son suficientes para la mayoría de las plantas o corales poco demandantes como la Nemezophyllia, mientras la Acropora require hasta 300 mmol. Aún así, esta medida no es del todo exacta puesto que no hace distingos entre las distintas longitudes de onda comprendidas entre 400 nm y 700 nm, por lo que no da una idea exacta de la calidad de la fuente lumínica.


La luz y los animales acuáticos:

Existen estudios que han demostrado la importancia de una iluminación de espectro diurno, para fomentar la salud de humanos y animales. Las conclusiones de estos estudios se puede extrapolar a la vida acuática. De hecho la comunidad médica está fomentando el uso de iluminación de 6400k dado que mejora la función inmune e incluso la salud mental. Estudios con animales arrojan resultados similares.


Ventajas de la iluminación LED:
Entre sus distintas ventajas, podemos destacar las siguientes aplicables a su uso en acuarios plantados:
  • Mayor flujo luminoso para un mismo número de vatios dado o lo que es lo mismo, mayor eficacia luminosa (lm / W) Esto da como lugar un menor consumo.
  • Mayor duración unas 50.000 horas. Esta ventaja va acompañada de una variación del espectro de emisión observable normalmente a partir de las 30.000 horas de funcionamiento.
  • Los emisores tienen un diagrama de radiación lambertiano, es decir, no emiten como una fuente omnidireccional sino ponderada hacia el frente disminuyendo la potencia según se aparta de la vertical del emisor. Esto se traduce en que evitan la necesidad de reflector, para aumentar la potencia hacia el frente, se utilizan lentes concentradoras:
                         

  • Mayor PAR efectivo que otras fuentes. A diferencia de otras tecnologías, no se producen picos de emisión indeseados ni se emite fuera de la banda útil.

Aquí a continuación vemos el espectro de emisión de un tubo Grolux en el que se observan los dos picos verdes fuera de zona fotosintética y que hay emisión fuera de la zona útil 400-700nm:


La siguiente figura es de un HQI de alta gama, se ve la enorme cantidad de energía que se desperdicia entre el verde y el naranja (con picos enormes en el naranja -amarillo) que no es aprovechada por las plantas y cómo se desparrama energia en el UV y el IR:



Comparamos las anteriores con las características de un LED, como vemos hay ausencia de picos indeseados y la mayor emisividad se produce en el azul y en el rojo:


Finalmente, pongo una gráfica combinada de las distintas posibilidades de un LED, variando distintos tipos de blancos y monocromáticos, se ve la total flexibilidad y la ausencia de picos indeseados en todos los casos:



Ciclo de trabajo del 100%. Su funcionamiento no está influenciado por la frecuencia de la alimentación eléctrica alterna, lo cual añade mayor rendimiento lumínico.

  • Menores residuos al medio-ambiente. Otras tecnologías tales como los tubos fluorescentes, lamparas de mercurio etc, una vez acabada su vida útil son contaminantes.
   

Inconvenientes de la iluminación LED:
Como todo en esta vida, también hay inconvenientes derivados del uso de sistemas LED:
  • Inversión inicial mayor a la necesaria en otras tecnologías. Aunque el menor consumo, compense a la larga dicha inversión inicial.
  • Mayor dependencia de la estabilización de las fuentes de alimentación.
  • Mayor dependencia de la refrigeración.



Qué tipo de tecnología LED utilizar en un acuario plantado:

En cuanto a las tecnologías más adecuadas, se encuentran los LED de Potencia, con emisores individuales montados o no en estrella entre los que se pueden destacar los de fabricantes como CREE, lumiled, Bridgelux, Edison etc. Sus características fundamentales son:
  • Elevada eficacia luminosa. Hablamos de relaciones que llegan hasta los 120 lúmenes por vatio de consumo.
  • Elevada direccionalidad y penetración en el agua. Se comportan como focos puntuales lambertianos, pudiéndose usar sin lentes concentradoras si la distancia a la superficie del agua es pequeña. Son los mejores para acuarios profundos.
  • Necesitan una refrigeración adecuada. En el mejor de los casos deben de ser montados sobre un disipador de aluminio suficientemente dimensionado, en el peor necesitan refrigeración activa por medio de ventiladores o circuito de agua.

Otra tecnología utilizada son los arrays planos de emisores, montadas en un proyector constituyen un floodlight. Sus características fundamentales son:
  • Moderada eficacia luminosa. Tienen rendimientos de 90 lúmenes por vatio.
  • Buena direccionalidad. Sobretodo cuando son montados en proyectores tipo floodlight.
  • Necesidad media de refrigeración. con una refrigeración pasiva mediante disipador puede ser suficiente.


Una aplicación curiosa de una floodlight como la de arriba, 10 w LED para iluminar un acuario de salvajes:

También son útiles los tubos LED que no son más que una serie de emisores smd montados en un tubo similar a los T8 o T5 tradicionales. Sus características fundamentales son:
  • Muy buena eficacia luminosa. Compensan el rendimiento medio de los emisores individuales con un número elevado de los mismos. Se alcanzan rendimientos de hasta 99 lúmenes por vatio.
  • En cuanto a la direccionalidad es semejante a la de los T8 o T5 convencionales, con la mejora respecto a ellos de que cada emisor tiene un diagrama lambertiano, con lo que no necesitan reflectores.
  • ​No necesitan refrigeración.



Las tiras de LED pueden servir para iluminar de manera tenue acuarios desnudos y para fabricar con azules una iluminación de luz de luna.




Pero, LED de qué color?

Teóricamente, para maximizar la fotosíntesis, podríamos usar LEDs azules y rojos centrados en los picos de absorción de la clorofila:


Pero el acuario tendría un aspecto semejante al siguiente, poco estético y que podría llegar a afectar hasta a la salud de sus habitantes:



Además, hemos visto que la penetración del rojo en el agua es mucho peor que la del azul con lo cual la cantidad final incidente de luz será menor en el fondo del acuario.

Descartados los conjuntos de LEDs bicolor azul/rojo, hay que estudiar la posibilidad de usar LEDs blancos en lugar de LEDs monocromáticos. Dentro de los distintos tipos de blancos podemos hablar grosso modo de LEDs Blancos frios (cool white) cálidos (warm white) y finalmente los de luz diurna que asemejan más la luz del Sol, son los llamados (day light):

Como se aprecia en la figura, el Daylight o Neutral White / Pure White es el que reproduce mejor los colores naturales y produce el crecimiento más adecuado (de hecho es el más recomendado en plantados). El Cool White es excesivamente azulado y haría que el plantado parezca un acuario marino y el Warm White da un aspecto anaranjado muy poco estético al acuario y el crecimiento es el peor de los tres. Veamos su espectro comparado:


En la figura se ve que el Pure White produce un nivel de azul óptimo para la fotosíntesis, el Warm White tiene excesivo rojo.

Un saludo.



Autor: Fredyx
Colaboración: Equipo Pezdisco.es

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