La luce e il reef, i LED e il Full Spectrum

Introduzione
Nella prima parte dell’articolo si è trattato della luce e delle sue caratteristiche, per arrivare alla fotosintesi, alla luce necessaria ad essa, quindi ottimale per illuminare le nostre vasche di barriera.

In questa seconda parte dell’articolo, passeremo in rassegna le principali fonti di luce artificiale utilizzate in acquariofilia e di seguito le migliori plafoniere LED commerciali, analizzandone lo spettro e considerando la caratteristica Full Spectrum.

Andremo infine a proporre una configurazione LED per una plafoniera fai da te, che applichi la prerogativa Full Spectrum, consigliando anche come scalare tale configurazione per vasche di diversa grandezza.
L’illuminazione artificiale
Iniziamo prendendo in esame le caratteristiche di spettro delle tre principali fonti di luce utilizzate in acquariofilia: HQI, Neon T5 e LED.

Cominciando dalle HQI, riporto come esempio gli spettri di emissione di alcune lampade:
– Hamilton 20000°K
– Giesemann Megachrome Coral 14500°K
– BLV Nepturion 14000°K

Anni di esperienza acquariofila avevano portato a consigliare per le HQI una gradazione di colore alta. Guardando infatti le figure, è ben evidente che la maggior parte della luce viene emessa nella banda attinica 400 – 500 nm, esattamente in linea con i ragionamenti fatti nell’articolo precedente.

La campana attinica è molto accentuata soprattutto nella Hemilton e nella Giesemann. Nella banda visibile invece, si comportano diversamente a seconda del tipo di lampada. La Hamilton è molto bassa (emette poco) tra i 500 e i 700 nm, mentre la Giesemann e la BLV sono più alte. Di qui infatti la differenza tra la prima che è una 20000°K e le altre due che sono due 14000°K.

Passando ai neon T5, consideriamo una delle più diffuse plafoniere con un mix di neon molto comune, come la ATI Powermodule a 6 tubi, di cui:

– 3 Aquablue Special
– 1 BluePlus
– 1 PurplePlus
– 1 Actinic

.

Volente o nolente, l’esperienza acquariofila tende sempre alla stessa conclusione. Tale configurazione di T5, infatti, produce uno spettro con caratteristiche simili a quello visto prima per la HQI. Anche in questo caso, la campana attinica è ben evidente tra i 400 e i 500 nm; altri picchi sono presenti sul verde a 550 nm e sul rosso a 620 nm.

Arrivo infine ai LED.
A sinistra è riportato lo spettro di emissione di un LED bianco 10000°K, mentre a destra, in un unico grafico, lo spettro di emissione di LED di diversi ‘colori’.

Al contrario delle altre fonti luminose, i LED hanno uno spettro di emissione molto selettivo, ovvero concentrano tutta la loro luce su una banda molto stretta.
Essenzialmente un LED produce un solo picco posizionato a una determinata frequenza in base alla sua colorazione.

Solo il LED bianco si comporta diversamente (come si vede nella figura a sinistra), avendo un picco a 440 nm e una gobba nella parte visibile tra i 500 e i 700 nm.

Dovendo dunque utilizzare i LED come illuminazione, su una vasca di barriera, sarebbe errato utilizzare solamente led bianchi. Analizzando infatti lo spettro nella figura a sinistra, la banda attinica sarebbe molto scarna (con un solo picco sui 440 nm), mentre la potenza nella banda della luce visibile sarebbe eccessiva.

Negli anni passati, molte prafoniere LED erano costituite di soli LED bianchi e Royal Blu.
I Royal Blu venivano utilizzati essenzialmente per tagliare il colore della luce e farlo tendere verso i 16000/20000°K.

Questo ragionamento sulla temperatura di colore, però, non ha nulla a che vedere con l’ottimizzazione dello spettro. Se infatti andiamo a vedere lo spettro risultante (mostrato sotto in figura) in una configurazione 50% bianchi e 50% Royal Blu, è evidente che la banda attinica 400 – 500 nm non è affatto coperta nella sua interezza.

Tale configurazione, infatti, presenta soltanto il picco isolato Royal Blu, leggermente allargato tra i 440 nm e i 450 nm oltre ad una gobba bassa nella parte visibile.
In ulteriore contraddizione con quanto ricercato nello spettro ottimale (2/3 di potenza in banda attinica e 1/3 di potenza in banda di luce visibile), la potenza spalmata in banda visibile è all’incirca comparabile con quella sul picco Royal Blu.

Il Full Spectrum a LED
Abbiamo dunque visto che una configurazione LED di soli bianchi e Royal Blu non fornisce uno spettro adeguato nella banda attinica 400 – 500 nm.
E’ dunque necessario affiancare ai Royal Blu altri tipi di LED attinici che emettono su altre lunghezze d’onda, in modo da comporre una adeguata campana attinica.

Esistono diversi tipi di LED sul mercato che coprono queste esigenze. A seconda della marca e del modello, è possibile trovare LED che emettono su lunghezze d’onda molto differenziate.

Riporto di seguito i ‘colori’ LED in banda attinica ad oggi disponibili con le relative lunghezze d’onda emesse:
– UV: 400 nm (sono meno facili da reperire, ma si trovano anche UV a 390 / 405 / 410 nm)
– Violet: 420 nm
– Deep Blu: 430 nm (non sono facili da reperire)
– Royal Blu: 455 nm
– Blu: 465 nm
– Cyan: 490 – 520 nm

Plafoniere LED commerciali
Diamo ora uno sguardo alle caratteristiche delle piu diffuse plafoniere LED disponibili sul mercato.
Faremo riferimento a modelli con spettro esteso (non bianchi e Royal Blu) e con una potenza elettrica installata intorno ai 150 Watt.
Riporterò il set di LED installati e i valori stimati di flusso luminoso, flusso radiante, radianza PAR e PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density).

Ecotech Marine Radion XR30w Pro Full Spectrum

Potenza: 154 Watt
LED:
White: 8 Cree XT-E Cool White (5w)
Red: 4 Osram Oslon SSL Hyper Red, 660nm (3w)
Yellow: 2 Osram Oslon SSL Yellow, 590nm (3w)
Green: 4 Cree XP-E Green, 520nm (3w)
Blue: 8 Cree XP-E Blue, 468nm (3w)
Royal Blue: 8 Cree XT-E Royal Blue, 442nm (5w)
Cyan: 4 SemiLEDs UV, 415nm (2.5w)
UV: 4 SemiLEDs UV, 405nm (2.5w)

Flusso Luminoso: 5200 Lumen
Illuminamento: 6130 Lux (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)
Flusso Radiante: 41.75 Watt
PPFD: 199.2 umol/s/m2 (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)

.

La Radion XR30w Pro è una bella plafoniera molto colorata, tra le migliori in commercio. Le proporzioni tra banda attinica e banda visibile sono buone, la banda attinica è adeguata. Forse c’è un eccesso sulla lunghezza d’onda Royal Blu e un difetto sui 420 nm non coperti da nessun ‘colore’ led.
A mio avviso avrei fatto a meno dei coloretti giallo e verde (inutili alla fotosintesi) e avrei diversificato l’UV anche verso i 420 nm.

Vertex Illumina SR260
Potenza: 160 Watt
LED:
32 Cool White 3 W CREE
16 Blu 3W CREE
16 Royal Blu 3 W CREE

Flusso Luminoso: 10034 Lumen
Illuminamento: 7717 Lux (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)
Flusso Radiante: 49.13 Watt
PPFD: 158.9 umol/s/m2 (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)

L’Illumina SR260 in realtà non è una vera e propria full spectrum, in quanto monta solamente LED bianchi, royal blu e blu. Si vede infatti dallo spettro che manca della parte a sinistra della lunghezza d’onda del royal blu.

Maxspect Mazarra P+420 Full Spectrum

.
56 Watt per unità (x 3 unità)
Potenza (totale): 168 Watt
LED (totali):
6 Warm White 3W CREE XP-G
12 Cool White 3 W CREE XM-L
12 Blu 3W Philips Luxeon Rebel
12 Royal Blu 3W Philips Luxeon Rebel
6 UV Episled Dual-Core

Flusso Luminoso: 9450 Lumen
Illuminamento: 11141 Lux (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)
Flusso Radiante: 57.1 Watt
PPFD: 276.8 umol/s/m2 (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)

.
La Mazarra P+420 ha un ottimo design, uno spettro più completo dell’Illumina ma non ai livelli della Radion. Ha certamente gli UV, ma bassi, e manca della lunghezza d’onda a 420 nm e della componente ciano.

Maxspect R420r Razor M10000K

60 Watt per unità (x 2 unità)
Potenza (totale): 120 Watt
LED (totali):
12 Warm White 1W CREE XT-E
23 Cool White 1 W CREE XT-E
18 Blu 1W CREE XP-E
12 Royal Blu 1W CREE XT-E
12 UV Episled Dual-Core 3W
Flusso Luminoso: 4904 Lumen
Illuminamento: 5781 Lux (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)
Flusso Radiante: 26.27 Watt
PPFD: 129.4 umol/s/m2 (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)

.

Come la sorella Mazarra, la Razor ha un ottimo design. Presenta una banda attinica più complessa della Mazarra per un numero maggiore (in proporzione) di blu e di UV.
Anche questa manca della lunghezza d’onda 420 nm e della componente ciano.

My Ultimate Full Spectrum DIY rel 4.0
Eccoci infine giunti all’ultima sezione di questo lungo articolo.
Dopo aver visto le caratteristiche della luce disponibile sul reef, quindi necessaria alle nostre vasche di barriera e dopo aver osservato pregi e difetti delle migliori plafoniere led in commercio, vediamo come io realizzerei una plafoniera LED Full Spectrum fai da te.
Premetto che la plafo che ho realizzato è montata su un nano di 90 litri lordi (65x35x40) ed è abbastanza potente per allevare quasiasi tipo di animale, prevalentemente SPS esigenti.

56 LED 3W
Potenza: 168 Watt
LED:
12 Cool White 10000°K Bridgelux
8 Neutral White 6500°K Bridgelux
4 UV 400 nm Episled
8 Actinic Violet 420 nm Episled
6 Royal Blu 452 – 455 nm Bridgelux
10 Blu 462 – 465 nm Bridgelux
6 Cyan 490 – 520 nm Aquamarine
2 Hyper Red 660 nm Episled

Flusso Luminoso: 5209 Lumen
Illuminamento: 3980 Lux (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)
Flusso Radiante: 29.56 Watt
PPFD: 213.5 umol/s/m2 (a 20 cm di distanza dalla plafoniera)
PPFD: 94.88 umol/s/m2 (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)
PPFD: 53.37 umol/s/m2 (a 30 cm di distanza dalla plafoniera)

Prendendo come riferimento lla tabella riassuntiva dell’articolo di AdvancedAcquarist.com

Calcolo la potenza di mezzo Sole a 7 metri di profondità rispetto alla superficie illuminata della mia vasca:
Banda 400 – 440 nm = 5.5 Watt
Banda 440 – 480 nm = 6.4 Watt
Banda 480 – 520 nm = 6.2 Watt
Banda 520 – 700 nm = 13 Watt

Quindi calcolo la potenza luminosa della mia configurazione suddivisa nelle stesse bande:
Banda 400 – 440 nm = 4.8 Watt
Banda 440 – 480 nm = 12.3 Watt
Banda 480 – 520 nm = 4.4 Watt
Banda 520 – 700 nm = 12 Watt

Come applicare questo rapporto colori alle plafoniere LED fai da te

Vasche più grandi di 100 litri
Calcolare il target di potenza della plafoniera mantenendosi sui 1.7 Watt al litro (netto), oppure considerare 600/650 Watt di LED (da 3 Watt) ogni metro quadro di superficie di vasca illuminata.
Per esempio, per una vasca 160x50x50 di 350 litri netti, risulteranno 595 Watt con il primo calcolo e 520 Watt con il secondo.
Considerare il totale della potenza come somma di più moduli di quelli illustrati sopra per i Nanoreef. Seguendo l’esempio precedente 4 moduli da 48 LED fanno 576 Watt totali, adeguati per la vasca in questione.

Come hanno realizzato il loro modulo LED gli autori dell’articolo
Dmitry Karpenko e socio, autori dell’articolo Light in Reef Acquaria, hanno ovviamente progettato un modulo LED a valle del loro studio sulla luce.
Il modulo è composto da 12 LED da 3Watt e attaccando più di questi moduli si realizza una plafoniera. Loro consigliano 14 moduli al metro quadro, ossia 504 Watt.
Come andremo a vedere, il loro modulo è molto scarno di luce visibile (pochi bianchi), quindi è come se fosse stato progettato considerando come riferimento 10/15 metri di profondità in acqua e non 7 metri come ho fatto io.
Tabella e foto a seguito, riportano i led utilizzati nel loro modulo e una foto dello stesso.

– 5 UV Semileds N35L-U (1 led 390 – 400 nm / 1 led 400 – 410 nm / 2 led 410 – 420 nm / 1 led 420 – 430 nm) a 700mA
– 2 Bianchi 7000°K Luxeon LXML a 1000 mA
– 2 Royal Blu Luxeon LXML (445 – 450 nm e 450 – 455 nm) a 1000mA
– 1 Blu Luxeon LXML (475 – 480 nm) a 1000mA
– 1 Ciano Luxeon LXML (500 – 505 nm) a 1000mA
– 1 Rosso Luxeon LXML (660 – 670 nm) a 1000mA

Come vedete, i bianchi sono pochi in relazione agli altri LED e questo si nota anche dallo spettro riportato sotto, dove però risalta una campana attinica ben distribuita grazie alle frequenze molto differenziate dei LED in banda 400 – 500 nm.

Considerazioni Conclusive
La plafoniera LED che ho realizzato illumina la mia vasca ormai da 8 mesi.
Causa un problema di alghe e dinoflagellati, ho tolto i due led rossi sei mesi fa, sostituendoli con due Royal Blu. Probabilmente più avanti riproverò a inserire i rossi.

La diatriba sui led rossi non è ancora risolta, c’è chi dice e scrive che non sono tollerati dai coralli e sicuramente aumentano l’effetto fitostimolante in vasca. Ho provato sulla mia pelle che una plafo fitostimolante aiuta le alghe a crescere molto velocemente.

Dati questi due argomenti, l’inserimento dei LED rossi è ‘facoltativo’ e discrezionale; essenzialmente non si hanno ancora grandi informazioni circa il possibile beneficio o l’effetto controproducente del loro utilizzo.

Se desiderate porre domande all’autore dell’articolo, o partecipare alla discussione relativa ai LED e plafoniere presente sul forum di Acquaportal, potete farlo premendo il bottone che segue:

Riferimenti

– Light in the Reef Aquaria di Dmitry Karpenko e Vahe Ganapetyan (AdvancedAcquarist Vol. XI – 10/2012)