Modré lasery pro automatizované organické laserové odplevelování
Přesnost modrých laserů pro udržitelné zemědělství
Stále rostoucí světová populace vyvolává potřebu intenzivní produkce potravin. Jedním z faktorů, které omezují výnosy v zahradnictví, je neúčinná kontrola plevelů, a přestože existují metody, které se hojně používají, nemusí být nutně tím nejlepším řešením. Široce rozšířené chemické metody odstraňování plevele vyvolávají obavy o bezpečnost potravin a ochranu životního prostředí, zatímco fyzická regulace plevele může snížit výnos plodin tím, že poškodí rostliny nebo jiné organismy, které jsou pro ně prospěšné.
Zde přicházejí ke slovu lasery. V posledních několika desetiletích výzkum prokázal, že k hubení plevelů lze účinně nasadit laserové ošetření. A díky nedávnému vývoji v oblasti strojového vidění s umělou inteligencí a robotiky se laserové odstraňování plevele stává mimořádně přesnou, ekologickou, vysoce automatizovanou a nákladově efektivní metodou.
Tato technologie je však stále poměrně nová, a tak má i své nevýhody. Většina z nich vyplývá z používání CO2 laserů, které se spoléhají na zahřívání plevele za účelem poškození jeho buněk. To vyžaduje vysoký optický výkon a výsledné teplo může mít negativní vliv na plodinu. Navíc k dosažení těchto vysokých výkonů potřebují CO2 lasery vzhledem ke své poměrně nízké účinnosti velké množství energie, což vyžaduje použití vysokonapěťových generátorů.
Zemědělské prostředí je poměrně často suché a obsahuje velké množství suchých částí rostlin, což v kombinaci s vysokým napětím zvyšuje nebezpečí požáru. Vysoká energie také znamená, že je třeba odvádět velké množství tepla, takže CO2 lasery obvykle vyžadují použití vodních chladicích modulů. To spolu s velkými rozměry CO2 laserů činí systém poměrně rozměrným a těžkým. Všechny tyto nevýhody ukazují, že je třeba pro tento úkol zvolit vhodnější typ laseru.
Zde přichází ke slovu nejmodernější technologie modrého laseru.
Naše poslání
Věříme, že úspěch našich zákazníků je i naším úspěchem. Proto nevyvíjíme systémy umělé inteligence - specializujeme se na výrobu spolehlivého, vysoce výkonného laserového hardwaru. Vždy jsme se zaměřovali na kvalitu, přesnost a dlouhodobou důvěru. Díky rozsáhlým zkušenostem z terénu a partnerství s více než 7 integrátory dodáváme skutečná, vyzkoušená řešení, která fungují v zemědělství - nejen teoreticky.
Ve společnosti Opt Lasers neprodáváme pouze komponenty - spoluvytváříme váš plečkový systém. Naše patentovaná technologie, osvědčená podpora při integraci a přímá spolupráce s výrobci z nás dělají více než jen dodavatele. Jsme vaším vývojovým partnerem.
Ať už vytváříte robotický plečkovač, autonomní platformu nebo agrotechnologické řešení nové generace - pomůžeme vám ho připravit na pole.
Výkonnost ověřená v reálných zemědělských podmínkách
Naše modré diodové laserové systémy nejsou pouze laboratorně testovány - jsou aktivně testovány a nasazovány v terénu více než 7 integračními partnery po celé Evropě. Naše technologie trvale zajišťuje přesnou, účinnou a bezpečnou regulaci plevele, a to od suchého prostředí až po farmy s vysokou hustotou pěstování zeleniny.
Každý z partnerů pomohl ověřit a zdokonalit naše systémy prostřednictvím reálného použití. Neustále spolupracujeme na vývoji nových generací laserových modulů s plně přizpůsobitelnými konfiguracemi na míru vašemu použití - ať už to znamená zvýšení rychlosti, zlepšení míry hubení plevele nebo snížení režijních nákladů na údržbu.
Náš tým inženýrů spolupracuje přímo s výrobci OEM a automatizačními společnostmi a poskytuje jim poradenství nejen v oblasti laserového systému, ale také v oblasti optimalizace samotného stroje - od uspořádání chlazení až po úhly skenování a řídicí signály. Své partnery podporujeme v každém kroku vývoje produktu, od ověření konceptu až po uvedení na trh.
Srovnání laserových technologií - modrá vs. IR vs. CO₂
Následující tabulka ukazuje srovnání různých vlnových délek používaných pro laserové odplevelování. Hodnoty jsou přepočteny na optický výstupní výkon 320 W, je použito kapalinové chlazení a původní hodnoty jsou převzaty ze specifikace stávajících výrobků:
| Funkce | Modrá 450 nm (systém zítřka) | 2000 nm IR | 10600 nm CO₂ |
|---|---|---|---|
| Účinnost (zásuvka AC) | 19% | 12.3% | 11.2% |
| Optický výstupní výkon | 320 W | 320 W | 320 W |
| Celkový příkon systému (včetně chlazení) |
1700 W | 2600 W | 2870 W |
| Hmotnost (laser + elektronika) | 14 kg | 48 kg | 18 kg |
| Hmotnost s chlazením a krytem | 44 kg | 88 kg | 118 kg |
| Emise CO₂ na 100 h provozu (700 g CO₂/kWh) |
119 kg | 182 kg | 200 kg |
| % průchodnosti pro 1 mm vodní vrstvy | 99.99% | 36.79% | 0% |
| Objem laserového zdroje | 11 dm³ | 270 dm³ | 155 dm³ |
| Cena za watt | 37,5 EUR/W | 100 EUR/W | 20-50 EUR/W |
Díky bezkonkurenčnímu přenosu přes vodu, vysoké účinnosti, nízké hmotnosti a nižšímu dopadu na životní prostředí představuje modrá laserová technologie budoucnost bezpečného a škálovatelného laserového odplevelování.
Srovnání a vysvětlení elektrické účinnosti
Účinnost laserového systému je rozhodující pro minimalizaci spotřeby energie, snížení provozních nákladů a zajištění spolehlivého výkonu v polních aplikacích. Zde je uvedeno srovnání elektrické účinnosti infračervených laserových systémů s vlnovou délkou 2000 nm, CO₂ a modrých laserových systémů s vlnovou délkou 450 nm:
infračervené lasery s vlnovou délkou 2000 nm: 200W infračervený laser obvykle odebírá 1200 W elektrické energie, což znamená účinnost pouze laseru 17 %. Vyžaduje však také vodní chladič dimenzovaný na 1700W rozptyl tepla, který spotřebovává 600W příkonu. Po zohlednění chladicího zatížení (424 W) je konečná účinnost systému 12,3 %.
CO₂ lasery: 130W CO₂ laserová trubice s napájecím zdrojem odebírá 860 W. Stejný 1700W chladič přispívá dalšími 303W (na základě poměrného zatížení). Výsledná celková účinnost klesá na 11,2 %.
Modré lasery 450 nm (systém zítřka): 120W modrý laser odebírá 356 W, používá ovladače s 95% účinností a 62W vzduchové chlazení. Výsledkem je 120 / (356 / 0,95 + 62) ≈ 26,7 %. Při použití 48V napájecího zdroje s 91% účinností je celková účinnost systému 24,3 %. U 320W konfigurace s kapalinovým chlazením se účinnost může snížit na přibližně 19 %, přičemž celkový výkon systému dosahuje 1800 W.
Těchto vysokých hodnot dosahuje Tomorrow's System díky vlastní konstrukci laserových zdrojů i specializovaných ovladačů. Naproti tomu mnoho hotových ovladačů pracuje s účinností pouze 70-90 %, což výrazně snižuje výkon celého laserového systému.
Absorpce vody a dávka záření - klíčové faktory při laserovém odplevelování
Absorpce vody významně ovlivňuje přenos laserového světla a skutečnou dávku energie, kterou plevel obdrží. Laserové systémy pracující na různých vlnových délkách vykazují při interakci s kapkami vody na povrchu rostlin značně odlišné chování.
Přenos přes vodu: V případě tenké vrstvy vody o tloušťce 0,1 mm proniká modré laserové světlo téměř beze ztrát(99,99 %), zatímco infračervené světlo o vlnové délce 2000 nm klesá na 90,48 % a laserové světlo CO₂ klesá téměř na nulu(0,004 %). I malé množství vlhkosti může zcela zablokovat CO₂ a částečně potlačit laserové záření 2000 nm.
Při vrstvě vody o tloušťce 1 mm jsou koeficienty propustnosti následující:
- Modrý laser: 99,99 %
- 2000 nm laser: 36.79%
- CO₂ laser: 0 %.
Vliv na dávku záření: V krátkých oknech ošetření (50-100 ms) absorbuje kapka vody (5 × 5 × 1 mm³) celou dávku CO₂ a přibližně 63 % dávky 2000 nm laseru. V případě infračerveného laseru tato absorbovaná energie zvýší teplotu kapky z 20 °C na teplotu varu při použití pouhých 8,4 W, ale pouze 8-10 % z ní se odpaří. Tím je omezeno, kolik energie se skutečně dostane k plevelu, což snižuje účinnost.
Zaplavená nebo zavlažovaná pole: V hlubokých vrstvách vody, jako jsou rýžová pole (10 cm), modré lasery stále přenášejí více než 99 % energie k cíli, zatímco lasery s vlnovou délkou 2000 nm a CO₂ prakticky žádnou.
Tato analýza ukazuje, že i lehký déšť nebo zavlažování výrazně ovlivňuje výkonnost IR a CO₂ laserů, zatímco modré laserové systémy zůstávají vysoce účinné i ve vlhkém prostředí.
Hmotnost, rozměry a jejich vliv na integraci
U mobilních nebo terénních laserových systémů mají hmotnost a fyzické rozměry významný vliv na integraci, mobilitu a spotřebu energie. Modré lasery nabízejí v obou oblastech jasné výhody:
Celková hmotnost 320W modrého laserového systému včetně chlazení se odhaduje na pouhých 14 kg. Naproti tomu 200W laserový systém s vlnovou délkou 2000 nm váží i s chladicím agregátem přibližně 61 kg a typická sestava CO₂ laseru váží přibližně 48 kg. To znamená, že dva modré laserové moduly dohromady stále váží méně než jeden laserový systém 2000 nm nebo CO₂.
Rozměrově jsou modré lasery mimořádně kompaktní. Modrý laserový modul o výkonu 320 W nemá rozměry větší než 100 × 300 × 300 mm - tedy méně než 10 dm³. Pro srovnání, laserový systém 2000 nm zabírá více než 169 dm³ a laserový systém CO₂ dosahuje 92-97 dm³. Kromě toho jsou CO₂ lasery často sestaveny z křehkých skleněných trubic o délce až 165 cm, což ztěžuje jejich montáž nebo ochranu v mobilních prostředích.
Závěrem lze říci, že modré lasery jsou více než 12krát menší než infračervené lasery s vlnovou délkou 2000 nm a více než 7krát menší než laserové systémy CO₂. Tyto kompaktní rozměry umožňují montáž na lehká zemědělská vozidla nebo robotická ramena, což výrazně zvyšuje flexibilitu při nasazení v terénu.
Pokrok v přesné kontrole plevele pomocí modré laserové technologie
Výzkum ukázal, že účinek laserů na plevel závisí na optickém výkonu, době expozice, velikosti skvrny a především na vlnové délce laseru. Je známo, že modré světlo je vysoce absorbováno organickými látkami, a to je případ naprosté většiny rostlin. Je to způsobeno chlorofylem používaným při oxygenní fotosyntéze, přesněji řečeno dvěma typy chlorofylu: chlorofylem-a a chlorofylem-b. Při pohledu na absorpční spektrum obou těchto pigmentů je zřejmé, že se k nim skvěle hodí modré světlo s absorpčními vrcholy při 430 nm (typ a) a 470 nm (typ b). Díky tomu modrý laserový plevel vyžaduje nižší optické výkony, aby bylo možné účinně odstranit nežádoucí rostliny.
Není to však jen absorpce, co činí modré lasery, a konkrétně modré diodové lasery, vhodnými pro laserové pletí. Modré diodové laserové systémy jsou ve srovnání se systémy CO2 mnohem kompaktnější, což usnadňuje instalaci modrých laserů na různé stroje a umožňuje montáž mnoha jednotek v sérii. Efektivně modré lasery umožňují zpracovat větší plochu najednou, což zvyšuje rychlost celého procesu.
Modré diodové lasery jsou nízkonapěťové, stejnosměrné systémy, což znamená, že jsou bezpečnější pro použití v suchém prostředí než lasery CO2 a zároveň bezpečnější pro pracovníky (protože lasery CO2 používají střídavé napětí). Modré laserové diodové systémy jsou lehké a nevyžadují vodní chlazení, což má pozitivní vliv na spotřebu paliva vozidel. Velikost laserové skvrny je vysoce laditelná, takže ji lze přizpůsobit buď pro vysoce přesné ošetření, nebo pro provoz na velké ploše. Laserové diody mají také vyšší účinnost než CO2 lasery, takže v kombinaci s dlouhou životností představují velmi ekonomické řešení.
Výhody modrého diodového laseru při odplevelování:
- Vlnová délka vysoce absorbovaná rostlinami - není třeba mimořádně vysokých optických výkonů.
- Bezkontaktní metoda znamená, že nedochází k fyzickému poškození
- Šetrnost k životnímu prostředí
- Kompaktní rozměry a nízká hmotnost
- Cenově výhodný, vyžaduje minimální údržbu
Modré laserové systémy Opt Lasers pro laserové odplevelování
| GLE-S-30-B | GLE-S-60-B | GLE-S-120-B | Vlastní moduly |
|
| Střední vlnová délka | 450 nm | 450 nm | ||
| Minimální optický výkon | 30 W | 60 W | 120 W | 60-500 W |
| Pracovní vzdálenost | 180 / 350 / 650 mm | Volitelné podle provedení (např. 180 mm pro krátký dosah, 650 mm pro velký dosah) |
||
| Pracovní plocha | 100×100 / 200×200 / 300×300 mm | Vlastní skenovací pole na základě optiky a galvaniky |
||
| Minimální velikost bodu1 | 2500 µm | Nastavitelná optika (přesnost vs. pokrytí) |
||
| Provozní rychlost2 | až 2000 mm/s | Konfigurovatelný až 2000 mm/s |
||
| Elektrooptická účinnost | 27% | 24% | 24% | TBD |
| Maximální spotřeba energie | 200 W | 300 W | 600 W | TBD |
1 - hodnoty jsou uvedeny pro pracovní vzdálenost 350 mm
2 - pro úhly snímání ±10°
