«Это было около ста лет тому назад, – писал организатор и первый директор Восточно-Сибирского биологического института СО АН СССР Фёдор Реймерс в статье в октябрьском номере журнала «Техника – молодёжи» за 1961 год. – Слегка потрескивая, горят мощные керосиновые лампы, снабжённые рефлекторами. В блюдцах с водой плавают тонкие зелёные нити водоросли спирогиры. В клетках этих водорослей русский учёный А.С. Фаминцын обнаружил ранее отсутствовавшие здесь крахмальные зёрна. Значит, и при искусственном свете происходил основной процесс жизнедеятельности растений – фотосинтез». Эти опыты легли в основу докторской диссертации автора первого в России учебника по физиологии Андрея Фаминцына, вышедшей в 1866 году. Его работа получила продолжение – об использовании искусственного света для выращивания растений в теплицах писал, к примеру, Климент Тимирязев, а в пятидесятые годы прошлого века, уже во времена Советского Союза, вышла соответствующая книга руководителя лаборатории светофизиологии и светокультуры Агрофизического НИИ Бориса Мошкова, пере­издававшаяся минимум один раз. «Опытами профессора Мошкова показано, что с квадратного метра площади стеллажа теплицы за 60 дней можно получить по 15–18 кг первоклассных плодов томатов, – продолжал Реймерс. – В год это составляет уже 900–1000 кг. Расход  электроэнергии на 1 кг зрелых помидоров – 250–270 кВт-ч».  

Гидропоника на гидростанции

Очевидно, эти расчёты держали в уме в Восточно-Сибирском Совнархозе, когда 20 января 1961 года поручили государственному проектному институту «Востсибгипрошахт» разработать опытную теплицу для выращивания томатов, которую планировали разместить на Иркутской ГЭС. В этой работе участвовали учёные из Восточно-Сибирского биологического института (ныне Сибирского института физиологии и биохимии растений, СИФИБР) СО АН СССР и сотрудники самой станции. Более того, именно главный инженер Иркутской ГЭС Алексей Богун-Добровольский предложил выращивать помидоры в неиспользуемых потернах – бетонированных галереях, проложенных  в теле плотины и под зданием гидроэлектростанции в технологических целях. Таким образом, теплица должна была расположиться на глубине 52 м от земной поверхности, её длина должна была составить 250 м, а ширина – 3 м. «Чем же хороша идея Богуна-Добровольского? – замечал директор биологического института. – А тем, что она имеет не только местное значение для Иркутской ГЭС. Потерны есть на многих  гидроэлектростанциях. Почему бы уже в процессе строительства таких гигантских ГЭС, как Красноярская, Братская, Усть-Илимская, Витимская и другие, не спроектировать и не соорудить в потернах работающие круглый год мощные «фабрики» по выращиванию овощей и ягод?». 

Речь фактически шла о гидропонике, то есть выращивании растений без почвы, но на искусственных средах. Технология, если вдаваться в детали, достаточно проста. В качестве почвы используется гравийное основание с раствором питательных солей: вместо привычного по тем временам керамзита предполагалось использовать перлит. Вспученное вулканическое стекло по основным характеристикам оказалось лучше продукта, получаемого при обжиге легкоплавких глин – его объёмный вес в 2–2,5 раза меньше, а пористость значительно выше. «Растения на перлите чувствуют себя прекрасно, – подчёркивал Реймерс. – В лаборатории физиологии растений Восточно-Сибирского биологического института производили многократные пересадки томатов. Растения просто выдёргивали «за голову» из одного сосуда с перлитом и переносили в маленькую ямку в перлите другого сосуда. При этом растение чувствует себя так, как будто бы его и не пересаживали». 

Выращивать помидоры на Иркутской ГЭС предполагалось в установленных на многоярусных стеллажах корытах из лиственницы – древесины, стойкой к загниванию. Изнутри они были покрыты двухмиллиметровым слоем винилпаста и на 30 см засыпаны перлитом. Все корыта при этом соединены с баками, наполненными концентрированным раствором минеральных удобрений, и ёмкостями с водой – чтобы его разбавлять. Источник освещения – лампы накаливания мощностью 30 Вт, объединённые в группы по 20 штук. Для защиты от теплового излучения предусмотрен фильтр – железная рама с дном из стекла толщиной 6 мм, по которому непрерывным потоком идёт вода. Нижнюю часть каждой лампы опускают в жидкость, температура которой не превышает 35–40 градусов Цельсия. Источник искусственного освещения вместе с экраном подвешен к потолку. Свет включают на 14 часов в сутки, оставшиеся 10 часов отведены на «отдых» растений. «Этот световой ритм обеспечивает наиболее быстрый рост и развитие томатов, – объяснял Реймерс. – Свет включается и выключается автоматически при помощи программного устройства. Синхронно с этим происходит циркуляция питательных растворов. Благодаря механизации и автоматизации процессов выращивания во всем помещении будет работать только дежурный». 

Выбор между синим и красным

Искусственное освещение использовали для выращивания растений и на станции «Мир», а на МКС для этой цели начали применять светодиоды

На практике проект, заманчиво выглядящий в теории, реализовать оказалось невозможно. Тем не менее сама идея размещения теплиц на объектах энергетики в Иркутской области была претворена в жизнь. «Подсобное хозяйство было на Ново-Иркутской ТЭЦ, в Южных электрических сетях, в Ангарске было немало таких объектов, – рассказывает  заведующий лабораторией продуктивности растений СИФИБР СО РАН Александр Рудиковский. – Поэтому нельзя сказать, что проект по выращиванию томатов на электростанции не состоялся – он состоялся, но в ином виде. На основе современных, на тот момент, технологий». Прогресс за последние сорок-пятьдесят лет ушёл далеко вперёд, но ключевую роль в отказе от подобных непрофильных активов сыграла изменившаяся экономическая среда: если в советские времена энергетики могли использовать электричество по себестоимости, то из-за реформы отрасли расходы на собственные нужды электростанций оплачиваются по рыночным ценам. По этой причине, к слову, тепличные хозяйства время от времени фигурируют в списках потребителей-должников. 

Однако современные технологии энергосбережения вновь позволяют говорить об экономической целесо­образности подобных проектов. Речь не только об отопительных приборах, но и о светодиодном освещении, которое даёт сопоставимый с лампами накаливания световой поток при вдесятеро меньшем потреблении электричества. «Это революционная технология, потому что с помощью светодиодов можно добиваться узкого спектра излучения, небольшого диапазона световых волн», – отмечает учёный. Законы биологии непреложны: за поглощение света у растений отвечают специальные пигменты – хлорофиллы a и b, а также каротиноиды. Хлорофиллы, в свою очередь, поглощают излучение синей и красной частей спектра. Пики поглощения в первой приходятся на световые волны в диапазонах 428,5–430 и 452,5–455 нм, во второй – 660–662 и 642–649 нм. Применение светодиодов, максимумы излучения которых совпадают с таковыми хлорофиллов и каротиноидов, усиливают фотосинтетические процессы. Экономия электроэнергии в данном случае достигается за счёт того, что она не затрачивается на излучение света, не используемого в процессе фотосинтеза – ультрафиолета, жёлто-оранжевого, дальнего красного и инфракрасного. С другой стороны, растения полностью зависят от фотосинтеза, поэтому для регуляции процессов развития они должны правильно оценивать количество и качество света. За это отвечает особый пигмент – фитохром, поглощающий крас­ную область падающего света. На основании сигналов, поступающих от фито­хромной системы, растение принимает глобальные решения: готовиться к фотосинтезу или все запасы органических веществ пустить на рост, приступить ли к цветению или к листопаду, изменить ли стратегию роста, прорастать семенам или дождаться более благоприятных условий освещения. Ультрафиолетовый и голубой свет поглощается и оценивается другим пигментом – криптохромом, который также оказывает большое влияние на развитие растений и их физиологические функции. В частности, увеличение доли голубого света уменьшает рост стеблей и может подавить цветение. Имея такой замечательный и тонкий инструмент, как светодиоды с разными спектрами, уже сейчас можно воздействовать на фитохром и криптохром и регулировать развитие растений, уменьшать или усиливать рост, повышать их продуктивность. 

Эксперименты, берущие своё начало ещё во времена Тимирязева, показывают, что оптимальным является следующее соотношение: половина энергии по спектру приходится на красную область, 30% – на синюю, 20% – на зелёную. В этом случае можно получать более высокие, чем при обычном освещении, урожаи, причём на это будет уходить в полтора-два раза меньше времени. «Но для каждого вида растений нужно разрабатывать свою технологию, – добавляет Александр Викторович. – Общее мнение сводится к соотношению «три к одному»: на три крас­ных светодиода должен быть один синий. Для разных видов растений оно может быть разным: для огурцов одно, для помидоров – другое». Причём это соотношение различается даже в случае молодого или плодоносящего растения.

Рассказывая об этом, учёный демонстрирует светодиодный светильник, который, несмотря на свою массивность, потребляет всего 140 ватт. Световой поток от него можно оценить разве что на глаз, но даже такая оценка впечатляет: когда, отсоединив запрограммированный на определённое время работы и ограниченную яркость контроллер, он разворачивает лампу, возникает ощущение, будто тебя ослепила дальним светом едущая по встречной полосе машина. Только если прищуриться и подождать несколько мгновений, можно различить, что мощные диоды светят синим, красным и белым. «При помощи кон­-

т­роллера можно изменять количество того или иного цвета, – объясняет Рудиковский. – Мы также будем контролировать температурный и влажностный режим, продолжительность периода освещения. Это тоже очень важно: есть длиннодневные растения, которые цветут при длительном световом дне, а есть короткодневные. Если, допустим, вы весной посадите редьку или дайкон, то осенью ничего не получите – она уйдёт в так называемую цветуху. Так происходит со многими растениями». 

Просто космос

В СИФИБР СО РАН пока ставят эксперименты на салате. Светодиодный светильник потребляет всего 140 Вт, режим его работы регулирует контроллер

В СИФИБР СО РАН пока экспериментируют с салатом. Исследователи исходят из того, что он будет расти при 100 единицах фотосинтетически активной радиации (ФАР, часть доходящей до живых организмов солнечной радиации, которую растения используют для фотосинтеза) на квадратный метр. Для сравнения: в солнечный июньский полдень излучение в Иркутске доходит до 1200 ФАР на квадрат. В горах оно может достигать 2000–3000 ФАР, но в таких условиях растения подвергаются фотоокислительному стрессу: света хватает не только на фотосинтез, но и на образование активных форм кислорода, несущих опасность для клеток организма. Иркутские учёные используют куда более слабое искусственное освещения, варьируя при этом соотношение синего и красного светов в поисках оптимальной пропорции. «В обыч­ной жизни критерии оценки просты: растёт – не растёт, – говорит заведующий лабораторией СИФИБР СО РАН. – Но поскольку мы занимаемся научным исследованием, у нас есть более точные инструменты и методы оценки влияния искусственного света на растение. Мы можем оценить физиологические и биохимические параметры, например количество устьиц на листе или содержание хлорофилла-a и хлорофилла-b в его тканях и так далее». 

Над развитием той же технологии работают учёные не только научно-исследовательских институтов, но и академических учебных заведений Сибири. Так, в 2014 году Северо-Восточный федеральный университет вместе с ЗАО «Оптоган» приступил к строительству в Якутске теплиц со светодиодным освещением. При этом решаются две задачи: разработка и организация производства специализированного сельскохозяйственного светильника с крас­но-синим спектром и создание универсальной системы управления микроклимата парников для разных климатических зон. Инвестиции в проект составляют 350 млн долларов, помимо СВФУ в нём участвуют Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, а также факультет садоводства и пищевых технологий Университета прикладных наук Вайнштефан-Трисдорф из Германии. Строительство тепличного хозяйства предполагалось завершить в декабре 2015 года, однако пока новостей по проекту нет. Между тем в Томском политехническом университете разработали фитосветильники, интенсивность излучения которых, как и спектральный состав излучаемого света, можно настраивать под разные виды растений на каждой стадии их развития. Как сообщает пресс-служба ТПУ, учёные вырастили три опытных партии салата, причём на созревание одной из них ушло в среднем 26–28 дней вместо обычных 30–35. Следующим шагом стали испытания светильников в теплице сельхозпредприятия «Овощевод» в деревне Кисловка Томского района, подтвердившие результаты эксперимента. В дальнейшем исследователи собираются найти оптимальные световые комбинации для выращивания других видов тепличных растений. 

За рубежом, причём не так далеко от границ России, пошли ещё дальше: в начале 2012 года на Украине заработал первый в мире промышленный парник со светодиодным освещением. На Уманском тепличном комбинате установили 1230 диодных модулей и 870 натриевых светильников компании Philips, развёрнутых на площади в 60 соток. Этому предшествовали пилотные проекты в Голландии и на Украине, показавшие, что при использовании светодиодов в качестве дополнительного освещения можно добиться урожайности томатов до 73 кг с квадратного метра в год. А проведённые в Уманском тепличном комбинате исследования показали, что можно добиться увеличения урожая на 15% в год. Аналогичные технологии разрабатывают, к примеру, в Японии и других странах с не самым тёплым климатом. 

«Что это значит для сельского хозяйства? – резюмирует Рудиковский. – Закрытое помещение по условиям близко к работам в космосе. Перед его исследователями стоит проблема обеспечения автономного существования, а эта технология позволяет подойти к её решению. Пусть до этого пока далеко, но на Земле, особенно в Сибири, использование теплиц со светодиодным освещением выглядит весьма привлекательно – оно позволяет снизить затраты на электроэнергию». Впрочем, те, кто изучает космос, всё ближе к тому, чтобы адаптировать эту технологию для своих нужд: 18 апреля 2014 года частный транспортный корабль Dragon SpaceX в числе других грузов доставил на МКС комплекс Veggie – небольшие теплицы, оборудованные светодиодами – и семена кос-салата. Через 33 дня после того, как в мае того же года бортинженер экспедиции МКС-39 Стив Суонсон посадил их, урожай был собран и отправлен на Землю для анализа. Эксперимент продолжился: в июле 2015 года состоялся очередной посев, после которого, как сказано на официально сайте НАСА, «листья росли точно по расписанию, только одно растение не дало всходов». Следующим шагом стало выращивание циннии: два цветка погибли, ещё два продолжают расти. В дальнейших планах фигурируют китайская капуста и карликовый томат. Если эксперимент окажется успешным, глядишь, недалеко будет и до картофеля, выращенного на Марсе.