SPEKTRUM

Akkor fussunk neki a következőnek, fordítsuk meg a 20.-21. századra jellemző tervezési metódust és áldozzuk fel a könnyű gyárthatóságot és nagy profitot a minőség oltárán. Első lépésként válogassunk össze olyan LED típusokat, melyekből összerakható egy „ideális” spektrum, vagy legalábbis jobban megközelítjük azt, mint az első verzió. Ez szépen hangzik, de hogyan?Sok munkával, lépésenként.

1. Mivel a számunkra szükséges adatok csak részben állnak rendelkezésre ezért elő kell őket állítani. Mi érdekel minket? Az adott hullámhosszra eső teljesítmény-hányad … ( aki utálja a matekot az inkább higgye el ami a 2. pontban le van írva és ezt pedig nyugodtan átugorhatja ) Mi is ez?
Van egy fehér fényünk ( vegyük elő az előző ábrát ):

Szeretnénk tudni hogy ennek a bizonyos fénynek mekkora „energiatartalma” van a számunkra kedvező sávban. ( matek következik , elolvasása semmilyen korosztály számára nem ajánlott! ) Tehát vegyük a fényünket, mint függvényt és számítsuk ki a teljes intervallumra az integráltját ( függvény alatti terület ) Ezzel megkapjuk a teljes „sugárzás-tartalmat”, ezután számítsuk ki a 400-500 nanométer tartományba eső integrált. Induljunk ki a példánkból, számoljuk meg a kockákat! Egy vonal 5 kocka magas , három vonalunk van , 5+5+5=15 …hűűű most integráltunk egyet. Számoljuk meg a kék kockát ( ugye ez érdekel minket ) ez 5. Ugye ez is integrálás volt. ( aki beleköt hogy a csík nem négyzet széles, az írja le érthetőbben )

Most tudjuk, hogy ez a fényforrás 200 egységnyi fényt sugároz ki magából. Ebből nekünk a hasznos :   ( nekünk érdekes tartomány / teljes energia )*kisugárzott fény = 66,7 ( valami)

Ezt itt nagyon egyszerű volt kiszámítani , de nézzük meg az alábbi görbét:

Sajnos itt egy ilyen mérés eredményét látva csak sok munkával áll elő a kívánt arányszám. Itt ez a 420-500 nanométer tartományra 208 és mivel a kiindulási mértékegység a lumen ezért bátran elmondhatjuk , hogy ennek a fehér lednek 208 lumenje hasznosul a 782-ből. A többi csak „dekoráció”, vagy veszteség, vagy egyszerűen csak ezért van hogy mi is lássunk valamit az akvárium színeiből. ( ugye a szem pont a második „púp” tartományában a legérzékenyebb!)

Megnézünk egy másikat is! Ez egy 124 lumen fényerejű 450nm tartományba eső fény, itt mind a 124 lumen számunkra hasznos!

A fenti két példából tehát beláthatjuk, mindenképpen szükségünk van a pontos spektrális adatokra.

Matek
Összeállítottam egy kis táblázat szerűséget, mely grafikusan jelzi az energiaszinteket. Beleírogattam 4 fajta LED adatait, lássuk mire megyünk vele!
A LED-ek alapspektruma, mindegyiből 1-1:

„Kapcsoljuk be” A 8000K-s LED-et és egy kéket ( a Summa vonalat nézd!) és jelenítsük meg az előző cikkben megismert „optimális” görbénket!

További változtatás , bekapcsoljuk a Cyant , megpróbáljuk eltüntetni az 500 nanométeres „gödröt” és még adunk egy kis UV-közeli 410 nanométeres fényt hozzá! Valamint a bekapcsolt LED-ek számának növelésével tovább növeljük a 410 nm arányát, valamint a tesztelés kedvéért kikapcsoljuk a fehéret! Nézzük:

<img]http>http://korallszirtes-akvarium.hu/regi/images/joomgallery/originals/egyeb_kepek_3/par_pur_20140105_1778445268.jpg

Hogy valami haszna is legyen ennek a cikknek üssünk össze a fenti ismeretek alapján egy a boltban is használható “számítást”!

1. Számoljuk meg a LED-eket az adott lámpában színenként! ( pl 24 lila , 24 kék , 48 fehér ( mindegy hány kááá )
2. Nézzük meg a lámpa PAR értékét, ha egyáltalán van neki …. legyen mondjuk 1000 a felszínen.
3. Kék , lila, türkiz led szinte 100%-ban hasznosul .
4. A Fehér LED-ek kb 25%-a a használható fény ( optimistán ).
5.   PAR érték*( kék+lila+(fehér*0.25)/összes led száma )= Valódi PAR érték. vagyis  1000*(24+24+9,6)/(24+24+48)=600

MATEK RELOADED.
Számítsuk ki elméletileg mekkora a számunkra hasznos fény mennyisége az 5-6 méteres mélységben ( ugye ez az ami meghatározza a lámpánk fényteljesítményét ( lumen ) ez lesz majd az adat amihez igazodunk!

Ismert adat a tenger felszínére beérkező fény erőssége. Ismert? Kb 100000 és 75000 lux között határozzák meg. 100000 a déli trópusi nap, de ugye nincs mindig dél, keressünk reálisabb értéket. Utánakutakodva azt látjuk, hogy ( konkrét mérések alapján ) nyugodtan számolhatunk a 70000-es értékkel ( mondjuk ez a délután 3 órai napfény , tiszta felhőmentes időben ) . A felszín felett. Tehát alapérték= 70000 , felület 1 négyzetméter .

Amikor a fény behatol a vízbe rögtön keletkezik 2-3% reflexiós veszteség.
70000*0,97=67900
Mi ugye nem szeretnénk a teljes napfényt előállítani ( mert ugye 5-6 méterre kell „lemennünk” ) ezért ismét csak a napfény számunkra érdekes részét vesszük figyelembe:

( 400-500nm intervallum / teljes intervallum ) * 67900= 20370

Ennyi „lux”-unk van az adott fénytartományban az összesből a felszín alatt mondjuk 1 mm-rel.
Számítsuk ki a 6 méteres mélységben ugyanezt az értéket, felhasználva a már ismertetett csillapítási diagramot.
20370*0,27=5499

Ez a számított, egy négyzetméterre jutó „fényerő”, vagyis inkább „fényesség”, tehát LUX.
( Emlékeztetőül: mi is a lux? 1 lux = 1 lumen/1 négyzetméter. )

Végre valami konkrétum. ( Vigyázat , azonban már látszik, hiába tesszük a lux mérőt a lámpa alá, az nem ezt méri, mivel csak a fény egy speciális tartományát „kezeltük” a számításaink során!)

Most vegyünk egy 50cm*50cm területet az akváriumunkban, ezt fogjuk bevilágítani:
5499*0,25=1374 ~ 1300 Lumennel kell ezt a területet bevilágítanunk a felszínen.

Nézzük meg a lámpa magasságát!
Mivel pontszerű fényforrással számolunk ezért a 120 fokos sugárzási szöget vegyük figyelembe. A 120 fele a 60. A háromszög szögei , tehát 30 , 60 , 90. Ismerős?! ( narancs háromszög az ábrán )

Tahát , ha azt akarjuk hogy minden kisugárzott fényünk hasznosuljon, a lámpa ideális magassága, az akvárium szélességének a fele mínusz pár centiméter.    cos(0,52rad)*25 = 21 cm.

20 centiméter magasan van egy 10cm * 10cm-es sugárzónk X fénykibocsátási képességgel ( lumen ). Mekkora legyen ez a fényesség?
Mint tudjuk 1300 Lux-ot ( megvilágítás ) kell előállítanunk. Akkor a lux és lumen képletéből adódik, hogy

1300 lumen. Vegyük elő a számítgatós táblázatunkat.
Spektrum alapján kezdődik a játék a LED-ek arányával. A grafikont figyelve ( minél „simább” maradjon” ) és a LED-ek számát változtatva összerakjuk a megfelelő megvilágítást úgy hogy a lumen elérje a kívánt értéket.

Keressük elő az adatlapot, a fenti grafikonra teljesítmények 1×16 ( 410 nm ) +3×128 ( 450nm ) +2*361 (490 ) +200 ( a fehér led ide eső része ) = 1322 …. Ez a teljesítmény és színösszetétel terén megfelelő kompromisszumnak látszik. Van megfelő fényerőnk, a megfelelő tartományban, és még van hozzá fehérünk is, hogy mi is lássuk.

Mennyi ér ebből az akvárium aljára? Mekkora lesz ott a megvilágítás erőssége? Mivel pontszerű fényforrással számolunk, reflexiókkal ( akvárium oldalüvege ) nem tudunk kalkulálni ezért:
50 centi magas vízoszlop esetén több mint kb 200 lux.

Nézzük meg az összesített színhőmérsékletet , vagy „színt”:

Valami ilyesmit kell hogy kapjunk. Ha megnézzük a vaku és utólagos színkorrekció nélkül készült búvárfotókat egészen ismerős lehet ez az árnyalat. Összeszámolva a teljesítményeket , kb 60 W hasznos teljesítménnyel világítunk be 50×50 centiméteres területet, meg van 10W amiből kb 80% azért van, hogy szemre szép legyen.

Akkor nézzük meg a rosszat és a jót összehasonlítva mire jutottunk az elmélettel ( világoskék vonal ) :

..és még mindíg LED
Mivel elég jó hatásfokú lámpát szeretnénk készíteni ezért próbáljuk tovább “tuningolni” a meglévő konstrukciót.  Van ugye kb 3% fényünk ami a felszínről visszaverődik és nem hasznosul. Ha ide egy tükröt teszük ( feltételezzük hogy a fény 50%át visszaveri, akkor növeltünk vagy 50 lument a fényerőnkön. Azonban mint látjuk a fényerő már elég, most próbáljuk meg a minőséget javítani!

A visszavert fényt nem egy sima tükör fogja biztosítani, hanem egy olyan lemez amit speciális “fényporral” ( az olyan mint ami a fehér LED-ekben van YAG ) vonunk be. Hogy működnek ezek? Besugározzuk fénnyel -> a por elnyeli az energiát -> sok lesz benne és leadja. ( ha kicsit belemegyünk a kvantummechanikába akkor egy-két energiaszinttel feljebb lökjük az elektronokat majd azok mikor alacsonyabb energiaszintre kerülnek egy meghatározott frekvenciájú fotont adnak le ) . Tehát van némi fényporunk, ami teljesen véletlenül pont a 470-480 nanométeres tartományban sugározza le a felesleges energiát, és egy másik ami 520 nm környékén. Ezekkel bevonjuk a felületünket.

Ezekről a karakterisztikákról még nem készült el a mérés, ezért azt már tényleg csak a következő részben fogjátok látni!

Most nézzük meg mit sikerült biológia és esztétika szempontok alapján összehozni!

Pigmentek, Sejtek, Zooxantellák
Körülbelül ezt kellene kiszolgálni, ez nagyjából jó modell a rétegződésre csalánozóéknál,  nagyjából így néz ki a korallszövet világítás szempontjából lényeges része:

Sugározzunk be egy egy Acropora millepora zöld példányát. ( azért zöld, mert a zöldet veri vissza és a vörös közeli fényt nyeli el , protein P-593 (*1)  lásd a táblázatban). Direkt ez választottam, mert erre a színre még nem méreteztünk, ha a fehér LED-et kikapcsoljuk ez nincs benne a spektrumban. Ebből a fajta fényből 5 méter alatt már nagyon kevés áll rendelkezésre, de akkor mit kezd vele az acropora…

Hát ha jól nézzük át tudja konvertálni a színes proteinjei segítségével. ( ismét a tálázatból P-593 Emission: 593 , Ecitacion: 405 ) De minek? Hogy szép legyen? Valószínűtlen. Egy szövetréteggel lejjebb ott vigyorognak a zooxantellák amikben a klorofill valamelyik változata dolgozik:

És csodák csodája ez a kisugárzott 405 nm-es fény pont az három ilyen klorofill akciós tartományába esik, az 590nm pedig nem…. Valószínűsithető így a pigmentek energiakonverter szerepe. Hm  A természet tényleg nem hülye ….

Akkor most nézzük klorofill szempontból az 5 méteres mélységet:

– Klorofill a simán megél, mert van olyan színű fény, amelyik elég energiával rendelkezik az akciós potenciáljához.
– Klorofill b egyik csúcsa szintén pont egy fénnyel legjobban ellátott tartományban van, tehát működhet.
– a Karotinok szintén
– Az f pigmentek nélkül nem működhet 5 méteren (  csak a nagyon sekély vízben ) .
Ami még nincs tehát kiszolgálva az a kb 650 nm alatti akciós potenciálja a klorofilleknek, de mivel természetes megvilágítást szeretnénk ezeknek az ellátottságát le is minimalizáljuk a következőkben ismertetendő konstrukcióban. A zoxantellákról pedig a folytatásban lesz szó.

Folyt köv,

Felhasznált irodalom:
*1 nem fogok belemenni, hogy a tárgyaknak hogy keletkezik a színe. Akit érdekel olvasson utána az  additív és szubsztraktív színkeverés témakörének.
Nyolcadikos matekkönyv.
Gimis matekkönyv.
http://www.lotek.com/irradiance.pdf
http://www.advancedaquarist.com/2006/9/aafeature
https://reefworks.co.uk/articles/lighting-in-the-reef-aquarium/