3-D modellering gaat een steeds grotere rol spelen in het onderzoek. Het is een belangrijk ondersteuningsmiddel bij het ontwerp van betere LED-modules, betere kassen en teeltsystemen. Door de berekeningen met zo’n model kunnen onderzoekers de ontwerpen vooraf testen en vervolgens de beste opties uitproberen in kasproeven.
[wcm_nonmember]
Voor het bekijken van deze content heeft u een lidmaatschap nodig, of log in als u al een lidmaatschap heeft.
[/wcm_nonmember]
[wcm_restrict]
“Net zoals een ingenieur een nieuw industrieel product ontwerpt en test met zijn CAD-CAM programma, zo kunnen wij de ideale plant modelleren en in een fictieve kas laten functioneren onder verschillende omstandigheden”, vertelt Pieter de Visser van Wageningen University & Research. En vervolgens kan die fictieve kas worden geoptimaliseerd, zodat het ideale gewas dichterbij komt.
Nieuwe onderzoeksvragen
Zowel collega’s binnen het onderzoeksprogramma Kas als Energiebron als leveranciers van kasdekmaterialen vragen hem en collega Gert-Jan Swinkels te berekenen wat er aan een kasontwerp kan verbeteren om tot een productiever gewas te komen. Deelvragen daarbij zijn bijvoorbeeld: hoe diffuus moet het licht zijn om zowel in de zomer als de winter het optimale resultaat te bereiken. Over de uitkomsten voor het bedrijfsleven kan De Visser niets zeggen, want dit soort onderzoek is strikt geheim.
De laatste twee, drie jaar neemt 3-D modellering een grote vlucht in Wageningen. De modellen zijn in de loop van de tijd steeds beter geworden en dat is maar goed ook. Want nieuwe kas- en agrotechnologie roept zoveel vragen op dat je enorm veel praktijkproeven zou moeten doen om die te beantwoorden, terwijl het budget juist sterk teruggelopen is. Tegelijkertijd zijn de plantkundige inzichten ook sterk gegroeid. Daardoor functioneren de modelberekeningen beter maar ook ontstaan er tevens weer heel nieuwe onderzoeksvragen.
Temperatuurverdeling in gewas
Een voorbeeld: de laatste jaren wordt steeds meer duidelijk dat de vorm van de plant erg belangrijk is, zeker aan het begin van de teelt. Welke vorm is dan ideaal: is een komkommergewas met kleinere bladeren in de winter beter? Moeten de bladeren zoveel mogelijk horizontaal hangen? Welk wortelstelsel is het beste? Wat kun je bij de plantvorm sturen met lichtkleuren? Heeft dat sturen nog wel zin als je al de optimale LAI (leaf area index: hoeveelheid blad per grondoppervlak) hebt bereikt?
Bij al deze (en veel andere) vragen functioneren de 3D-berekeningen als middel om de zinnige van de onzinnige vragen te scheiden en alvast voor te sorteren op mogelijke uitkomsten.
“Benutting van licht staat nog steeds prominent bovenaan. Op dat gebied doen we heel veel aan modellering, zowel met natuurlijk licht als kunstlicht. Maar gaandeweg zijn we ook steeds meer aandacht gaan besteden aan de temperatuurverdeling in het gewas. Ander licht leidt immers vaak tot een andere verdeling. En als je veel knutselt aan een kas, krijg je andere temperatuurgradiënten en gaat het gewas echt anders groeien. Je hebt altijd plekken waar het gewas langzamer of sneller groeit. Die kunnen we inzichtelijk maken”, vertelt De Visser.
Ook de vorm van het wortelstelsel krijgt steeds meer aandacht, zowel in open teelten als in kasteelt in de grond.
Lambertiaanse verdeling
De onderzoeker is betrokken bij veel licht-gerelateerd onderzoek op WUR-locatie Bleiswijk, maar ook bedrijven schakelen hem in. Een voorbeeld daarvan is Philips, dat op basis van zijn 3D-berekeningen een nieuw type LED heeft ontwikkeld met betere prestaties. De kasproef met de nieuwe LED’s in Bleiswijk was aan alle kanten afgeschermd zodat niemand binnen kon kijken.
In algemene zin kan De Visser wel iets zeggen over de principes van verbetering van LED-belichting. “Bij tussenbelichting met LED’s kunnen we heel goed de optimale hoogte van de modules berekenen. We weten inmiddels dat de lichtinval op bovenkant en onderkant van het blad verschillend uitwerkt voor de fotosynthese en de groei. Voorheen hielden we daar geen rekening mee. Verder is het emissiepatroon van de LED’s van belang. Bij een Lambertiaanse verdeling (zijwaarts gelijkmatig afnemende lichtopbrengst) hangen de modules vrij laag. Bij een geoptimaliseerd emissiepatroon hangen ze een halve meter hoger en benut de plant het licht beter. Tegelijkertijd is er minder lichtverlies”, vertelt hij.
Inzicht door betere modellen
Lichtverlies is een belangrijk punt van aandacht, bijvoorbeeld bij de Winterlichtkas. In de winter kan het verstandig zijn opener te telen. De Visser heeft nagerekend hoe de paden er dan uit moeten zien: die moeten zo smal mogelijk zijn. Ook is een wat ruimere plantafstand in de rij verstandig, zodat de planten gelijkmatig over het oppervlak verdeeld zijn.
“Een belangrijke vraag is ook hoe de lichtdoordringing moet zijn. Als het licht de bladeren onderin goed bereikt, doen die beter mee met de fotosynthese. Maar hoe meer licht onderin, hoe meer er ook op het pad valt en dat is weggegooid licht. Dus een steeds betere doordringing is niet altijd beter”, geeft hij aan.
De inzichten schrijden voort door de betere modelberekeningen. Drie jaar geleden kon de onderzoeker aantonen dat tussenbelichting beter uitwerkt dan topbelichting, omdat in het laatste geval licht reflecteert op het gewas en verloren gaat voor de assimilatie. Nu is het beeld weer genuanceerder: “Het model laat zien dat van bovenaf belichten wat meer fotosynthese oplevert dan tussenbelichting, mits je het lichtverlies beperkt weet te houden”, zegt hij. Dat verlies kan bestaan uit reflectie, maar ook uit licht dat onbenut op de grond valt.
Hogere fotosynthese
Een speciaal punt van aandacht is de kleur van het licht, bijvoorbeeld de verhouding rood en verrood licht. Bij de proef met verrood licht in tomaat ondersteunden modelberekeningen de conclusie dat de productiestijging onder verrood licht voor een heel klein deel toe te schrijven is aan een iets hogere fotosynthese, een iets groter deel aan de veranderde plantvorm en het overgrote deel aan gewijzigde drogestofverdeling, waarschijnlijk door hormonale veranderingen. De hormonen zijn overigens nog niet te modelleren.
Ook de proeven waarin rood licht werd afgewisseld met enkele uren louter groen of blauw zijn met modelberekeningen geanalyseerd. “De kleur verandert de plantvorm. Dat heeft een sterk effect op de lichtonderschepping in het begin, maar boven een LAI van 3 zijn er nauwelijks nog verschillen. Verder wordt groen wat minder geabsorbeerd dan blauw, maar groen geeft wel meer fotosynthese, waardoor er op gewasniveau vrijwel geen verschil is tussen groen en blauw. Rood scoort wel duidelijk beter, zowel qua absorptie als fotosynthese. Dus rood licht heeft de voorkeur als het om assimilatielicht gaat.”
Ideale plant
Het model moet steeds worden gevoed met nieuwe kennis, dus er blijven steeds metingen aan planten nodig. Zo is het inzicht in groen licht nog niet zo vergevorderd dat alles modelmatig te voorspellen valt. “Voorafgaand aan de kasproeven berekenen we de resultaten. Met die resultaten kunnen collega’s die proeven beter opzetten. Een belangrijke vraag is bijvoorbeeld: welke plantvorm is het meest geschikt voor lichtonderschepping bij LED’s. Dat onderzoeken we nu in een project samen met Bayer CropScience. Je moet weten wat de ideale plant is en of een nieuwe techniek eraan bijdraagt om die te bereiken. Zo voedt het model de proeven en de proeven voeden het model.”
Samenvatting
Nieuwe kas- en agrotechnologie geeft zoveel mogelijkheden dat het ondoenlijk is die allemaal in kasproeven te onderzoeken. Berekeningen met 3-D computermodellen brengen eerst een schifting aan, zodat alleen kansrijke opties in de kas onderzocht worden. De vorm van de plant en zijn wortels, benutting van licht en temperatuurverdeling in kas en gewas zijn de belangrijkste aandachtspunten. Een voorbeeld is de optimale plaats en uitstraling van LED-modules.
Tekst: Tijs Kierkels. Beeld: Wilma Slegers en WUR.
[/wcm_restrict]