Światło słoneczne na ziemi i związane z nim pory dnia i nocy od zarania dziejów zapewniały cykliczność procesów fizjologicznych u organizmów żywych. Ponieważ początki życia na ziemi i pierwsze procesy biochemiczne odbywały się w środowisku o wysokim natężeniu promieniowania ultrafioletowego, (nie było jeszcze warstwy ozonowej w stratosferze), praktycznie wszystkie formy życia począwszy od bakterii, a skończywszy na człowieku, zależne są od tego rodzaju światła w kluczowych funkcjach: rozmnażaniu, rozwoju, czy metabolizmie. Prawie wszystkie związki organiczne mają zdolność absorpcji UV, m. in. DNA i RNA, stąd bardzo wcześnie na ziemi wytworzyły się mechanizmy naprawcze i sposoby przetwarzania tak cennej energii na ruch atomów, a tego na kaskadę sygnałów wewnątrzkomórkowych.
 
W wyniku elektryfikacji terenów mieszkalnych, cywilizacja ludzka nagięła wypracowane przez setki lat prawa natury przedłużając fazę jasną w ciągu doby. Dodatkowo, poprzez specjalizację społeczeństwa, praca na świeżym powietrzu w bezpośredniej ekspozycji słonecznej przeniosła się w izolowane pomieszczenia. Do osób przebywających w takich pomieszczeniach dochodzić zaczęła tylko część światła naszej gwiazdy. Okna, o ile nie posiadają szyb kwarcowych, znacząco odcinają promieniowanie UV. Nic więc dziwnego, że skutkiem ubocznym tego postępu w wydajności i komforcie życia stały się depresja, zaburzenia układu odpornościowego, krwionośnego, stres, bezsenność i osłabienia.
 
Firma QLAB Laboratory of Light podjęła próbę naprawienia tej niekorzystnej sytuacji, realizując program badawczo – rozwojowy, którego celem było opracowanie systemu rozwiązań oświetleniowych umożliwiających oświetlenie pomieszczeń światłem symulującym światło słoneczne. Symulacja ta miała dotyczyć zarówno części spektrum światła widzialnego, jak i zakresów skrajnych – UV (ultrafiolet) i IR (podczerwień), nie reprezentowanych w tradycyjnych oprawach oświetleniowych. Należy podkreślić, że projektowany symulator światła słonecznego ma posłużyć do wyposażenia pomieszczeń pracy i odpoczynku ludzi, a jego zadaniem ma być poprawa komfortu ich przebywania oraz wspomożenie niektórych funkcji fizjologicznych, upośledzonych w sytuacji permanentnego braku dostępu do światła dziennego. W związku z tym, wśród celów projektu określono jak najlepsze odtworzenie struktury widma światła słonecznego, jednak bez próby zapewnienia mocy strumienia światła, zbliżonej do światła słonecznego, które dostarcza natężeń oświetlenia na poziomie kilkudziesięciu tysięcy luksów – całkowicie nieprzydatnych (a wręcz szkodliwych) dla ludzi w pomieszczeniach zamkniętych.


Metodologia
 
Projekt badawczo - rozwojowy został oparty na szczegółowych badaniach naukowych z zakresu biologii, medycyny i psychologii, w których badano wpływ światła dziennego oraz jego sztucznego odpowiednika (symulatora światła słonecznego) na organizmy żywe, w tym: na rośliny, zwierzęta i ludzi.
 
Program został zrealizowany w następujących krokach:

1. Opracowanie szczegółowej analizy zagadnienia wpływu światła słonecznego na organizmy żywe;
2. Opracowanie wytycznych do projektu symulatora światła słonecznego;
3. Wykonanie projektu i stworzenie prototypu symulatora światła słonecznego;
4. Przygotowanie badań wpływu symulatora światła dziennego na trzech grupach badawczych: roślinach, zwierzętach i ludziach;
5. Wykonanie badań wpływu symulatora światła dziennego na rośliny;
6. Wykonanie badań wpływu symulatora światła dziennego na zwierzęta;
7. Wykonanie badań wpływu symulatora światła dziennego na ludzi;
8. Opracowanie wniosków z przeprowadzonych badań;
9. Opracowanie projektu systemu rozwiązań oświetleniowych umożliwiających oświetlenie pomieszczeń światłem symulującym światło słoneczne i planu jego komercjalizacji.

 
Program został zrealizowany w okresie od września 2018 do lutego 2021 roku przez zespół pracowników QLAB Laboratory of Light oraz zewnętrznych pracowników naukowych z renomowanych placówek badawczych i laboratoriów.


Szczegółowa analiza zagadnienia wpływu światła słonecznego na organizmy żywe

Opracowana na początku projektu analiza obejmowała podsumowanie aktualnej wiedzy dotyczącej wpływu światła słonecznego na organizmy żywe, zarówno bezpośredniego, przez:

• układ wzrokowy
• powierzchnię ciała,

jak i pośredniego, przez:

• układ odpornościowy
• układ hormonalny
• układ krążenia
• układ nerwowy.

W opracowaniu tym wskazano na szereg białek i mechanizmów molekularnych uzależnionych od światła słonecznego, ze szczególnym uwzględnieniem światła UV, takich jak:

• fotoreceptory – receptory RPCR,
• kryptochromy,
• melaniny,
• antyoksydanty,
• witamina D,
• zegary biologiczne,
• fotosynteza.

Ponadto określono zakresy podobieństw i różnic wpływu światła słonecznego na rośliny, zwierzęta i ludzi oraz zdefiniowano spodziewane korzyści płynące z lepszego wykorzystania światła słonecznego za pomocą projektowanego symulatora. Do korzyści tych zaliczono:

• kontrolowanie dawki promieniowania UV;
• zapewnienie stabilnych warunków rozwoju roślin, co przekłada się na optymalizację pomiędzy produkcją biomasy a syntezą związków aromatycznych odpowiedzialnych za walory smakowe;
• zwiększenie odporności roślin, zwierząt i ludzi na stres i infekcje poprzez syntezę antyoksydantów
• możliwość stworzenia stabilnego zegara biologicznego (homeostaza/metabolizm/sen);
• minimalizacja kosztów farmakologicznej suplementacji witamin i hormonów w hodowli zwierząt;
• możliwość skutecznej, nieinwazyjnej walki z depresją i zaburzeniami zegara biologicznego.

 
Szczególną uwagę poświęcono zagrożeniom i korzyściom wynikającym z wystawienia organizmów żywych na promieniowanie ultrafioletowe (ze szczegółowym rozbiciem na jego trzy podstawowe zakresy – UVC 220-280 nm, UVB 280-320 nm i UVA 320-400 nm). Do korzyści zaliczono przede wszystkim:

• zapoczątkowanie syntezy witaminy d,
• wzmocnienie własnych mechanizmów obronnych organizmu,
• działanie immunomodulujące.

 
W opracowaniu przeanalizowano również strukturę spektrum światła słonecznego, co pozwoliło w dalszych krokach zdefiniować planowaną funkcjonalność symulatora.
 

Zakres widma słonecznego	Irradiancja [Wxm2]	Ilość procentowa [%]
UVC (200-280nm)	62	>0,1
UVB (280-320nm)	57	0,1
UVA (320-400nm)	522	5
Widzialne (400-700nm)	309	39
Bliska podczerwień (700-1000nm)	417	23
Podczerwień (powyżej 1000nm)	1367	30

Wytyczne do projektu symulatora światła słonecznego

Powyższa analiza doprowadziła do sformułowania wytycznych do projektu symulatora światła słonecznego, które zostały przedstawione w postaci tabeli:

 

Tryb Auto	Praca	Wypoczynek	Pory roku	Energy boost
UVB 280, 300 nm 0,1%	UVB 280, 300 nm 0,1%	UVB 280, 300 nm 0,1%	UVB 280, 300 nm 0,1%	UVB 280, 300 nm 0,1%
UVA 320, 350 nm 5%	UVA 320, 350 nm 5%	UVA 320, 350 nm 5%	UVA 320, 350 nm 5%	UVA 320, 350 nm 5%
Niebieski 450 nm 10-15%	Niebieski 450 nm 10-15%	Niebieski 450 nm 10%	Niebieski 450 nm 10-15%	Niebieski 450 nm 10-15%
Światło zimne powyżej 6000K 39%	Światło zimne powyżej 6000K 70%	Światło ciepłe 3000K 20%	Światło zimne powyżej 6000K	Światło zimne powyżej 6000K 95%
Światło ciepłe 3000K 40-50%	Światło ciepłe 3000K 20%	Czerwony 620-640nm 15-20%	Światło ciepłe 3000K
Podczerwony 730 nm 5%	Podczerwony 730 nm 5%	Ciemnoczerwony 660 nm 40-50%	Czerwony 620-640nm
		Podczerwony 730 nm 5%	Podczerwony 730 nm

 
W wyniku dalszych prac zdecydowano o budowie dla celów niniejszego badania tylko jednego wariantu symulatora, który reprezentuje uśrednioną wersję prezentowanego zestawu.


Projekt i budowa prototypu symulatora światła słonecznego
 
Projekt symulatora został oparty na powyższych wartościach oraz następujących założeniach:

1. Oprawa oświetleniowa zostanie zbudowana w oparciu o moduły LED zabudowane w liniowym profilu aluminiowym;
2. Zostaną użyte diody LED o następujących zakresach emisji światła:

• Ultrafiolet (UVB) – 280-320 nm
• Ultrafiolet (UVA) – 320-400 nm
• Światło widzialne (VIS) – 400-700 nm
• Podczerwień (IR) – 700-1000 nm

1. Ilość i moc LED w poszczególnych zakresach zostanie obliczona na podstawie zadanej, procentowej mocy optycznej (radiant power)
2. Zostanie użyte zasilanie LED stałoprądowe
3. W celu ujednolicenia parametrów zasilania (zasilaczy) poszczególnych zakresów światła wartości prądu zostaną ujednolicone poprzez odpowiednią konfigurację
4. Lampa zostanie wyposażona w przesłonę mikropryzmatyczną, zapewniającą odpowiednie wymieszanie światła emitowanego przez poszczególne moduły LED.

 
Ustalono ostateczne proporcje poszczególnych zakresów widma:
 

Zakres widma udział % w całkowitej mocy optycznej
Typ	Częstotliwość [nm]	Udział [%]
UVC	200-280	0
UVB	280-320	0,1
UVA	320-400	4,9
widzialne	400-700	72
IR	700-1000	23
IR	>1000	0

 
Do budowy prototypu użyto następujących modułów LED i wyspecyfikowanego sposobu ich zasilenia i wysterowania:
 

Zakres widma	Udział %	Nazwa LED	Zasilanie	Radiant power (W)	I (mA)	U (V)	P (W)
UVC 200-280 nm	0
UVB 280-320 nm	0,1	PB2D-UCLA-TC	10 LED - 2 LED szeregowo w 5 równoległych sekcjach po 20 mA	0,035	100	13,6	1,36
UVA 320-400 nm	4,9	LTPL-C034UVH365 365nm LTPL-C034UVH385 385nm	6 pastylek, po 3 w szeregu połączone równolegle	1,4	200	11,1	2,22
VIS 400-700 nm	72	STW9C2PB-S Q04CZ1 CW  STW9C2PB-S N5HCZ1 WW	4 moduły Tunable White w dwóch sekcjach połączonych równolegle. Moduły w sekcji połączone szeregowo	20,6	600	100	60
IR 700-1000 nm	23	VSMB3940X01-GS08 940nm	Na bazie listwy LED 015-050-10-07 6 pasków 20 cm  = 168 LED	6,72	600	37,8	22,68
IR >1000 nm	0

 
Opisane moduły zostały umieszczone w oprawie w następujący sposób:
 
 

Przygotowanie badań wpływu symulatora światła słonecznego na organizmy żywe
 
Przygotowanie badań obejmowało:

1. Opracowanie planu badań wpływu światła słonecznego na
   1. Rośliny
   2. Zwierzęta
   3. Ludzi
2. Wybór laboratoriów do przeprowadzenia badań
   1. Badanie na roślinach
      1. Analog Astronaut Training Center w Rzepienniku Strzyżewskim
   2. Badanie na zwierzętach
      1. Zakład Biologii i Obrazowania Komórki IZUJ w Krakowie
   3. Badanie na ludziach
      1. Analog Astronaut Training Center w Rzepienniku Strzyżewskim
      2. NETATMO
      3. Zakład Bromatologii CMUJ w Krakowie
      4. Zakład Bromatologii Uniwersytetu Medycznego w Warszawie
      5. Harmony Medical Kraków
      6. IQ Building Inteligentne Instalacje Budynkowe
3. Przygotowanie badań
   1. Na roślinach
      1. Pozyskanie materiału do badań – grup roślin doświadczalnych i kontrolnych
      2. Przygotowanie środowiska badawczego
   2. Na zwierzętach
      1. Pozyskanie materiału do badań – grup zwierząt doświadczalnych i kontrolnych
      2. Przygotowanie środowiska badawczego
      3. Przygotowanie pożywki dla zwierząt
   3. Na ludziach
      1. Uzyskanie zgody Komisji Bioetycznej na przeprowadzenie badań na ludziach
      2. Zakup materiałów do realizacji eksperymentów naukowych
      3. Zakup materiałów do analizy danych
      4. Zgromadzenie 6 grup wolontariuszy (łącznie 26 osób)
      5. Przygotowanie środowiska badawczego – habitatu izolowanego (m.in. od światła dziennego), w tym montaż prototypowych opraw oświetleniowych – symulatorów światła słonecznego
         
          

Badania wpływu symulatora światła słonecznego na rośliny
 
Badanie przeprowadzono na trzech grupach roślin (mech Atrichum sp., rzeżucha Lepidium sativum, sałata Lactuca sativa) w trzech różnych środowiskach oświetleniowych:

1. Na zewnątrz, na działce w pełnym naświetleniu słonecznym,
2. Wewnątrz laboratorium, na parapecie (strona wschodnia),
3. Wewnątrz laboratorium, w ekspozycji na oświetlenie badawcze w odległości 45 cm od źródła światła.

 
Udział światła w procesach fizjologicznych roślin, jak również wykorzystanie światła sztucznego w hodowli roślin w warunkach izolowanych są procesami dobrze znanymi i nie wymagają dodatkowych badań. Istotą przeprowadzonego badania było natomiast ustalenie progu szkodliwości użytego oświetlenia sztucznego (symulatora światła słonecznego), szczególnie w kontekście udziału zakresu światła ultrafioletowego, co miało na celu zapewnienie bezpieczeństwa w trakcie prowadzenia badań na ludziach.
 
Trwające 8 dni badanie koncentrowało się na porównaniu próbek roślin wzrastających w środowisku naturalnym (na zewnątrz) i we wnętrzu z dostępem światła dziennego (na parapecie okna) z tymi, które przebywały tylko w świetle sztucznym z dużym udziałem frakcji UV (przy jego dużym natężeniu i bliskiej odległości od źródła światła).
 
Wyniki badania wykazały istotne różnice między tymi grupami roślin. W przeciwieństwie do roślin ze środowisk 1 i 2, które rozwijały się prawidłowo, rośliny wzrastające w obecności intensywnego światła ultrafioletowego uległy uszkodzeniom, a ich rozwój został zakłócony. Zaobserwowano nieprawidłowy, zbyt intensywny wzrost liści w początkowej fazie, uniemożliwiający poprawny rozwój, aktywację reakcji obronnych roślin na uszkodzone tkanki (wytworzenie 2 dodatkowych liścieni), rośliny były wysuszone i poparzone. Szczegółowy opis wyników badania jest dostępny w archiwum firmy.
 

Badania wpływu symulatora światła słonecznego na zwierzęta
 
Podobnie, jak w przypadku roślin, badanie na zwierzętach miało na celu określenie poziomu szkodliwości projektowanego symulatora światła słonecznego. W badaniach wykorzystano osobniki szczepu dzikiego muszki owocówki Canton S Drosophila melanogaster, które pochodziły z hodowli prowadzonej w Zakładzie Biologii i Obrazowania Komórki Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Hodowlę prowadzono w sterylnych plastikowych kolbach na specjalnie przygotowanych pożywkach. Pożywki przygotowywano z mąki kukurydzianej, agaru, drożdży, miodu oraz melasy.
 
Badanie polegało na porównaniu poziomu śmiertelności osobników w dwóch środowiskach:

1. Oświetlenie sztuczne światłem białym w zakresie widzialnym,
2. Oświetlenie za pomocą symulatora światła słonecznego z pełnym udziałem frakcji UV.

 
W obu przypadkach źródła światła były zlokalizowane w odległości 31-38 cm od badanych populacji.
 
Wyniki trwającego 62 dni badania ujawniły ok. 12-procentowy wzrost śmiertelności w środowisku 2. Szczegółowy opis wyników badania jest dostępny w archiwum firmy.
 
 
Podsumowanie badań na roślinach i zwierzętach
 
Zarówno eksperymenty na roślinach, jak i na zwierzętach wykazały szkodliwy wpływ dużych dawek promieniowania ultrafioletowego (UVA i UVB) na organizmy żywe. Na podstawie szczegółowej analizy wyników ustalono bezpieczny poziom promieniowania UV w przypadku badań ludzi – ograniczenie naświetlania do 3 godzin na dobę, zakaz snu przy włączonym oświetleniu z zakresem UV, zakaz pracy w odległości mniejszej niż 45 cm od źródła świata.


Badania wpływu symulatora światła słonecznego na ludzi
 
Badanie wpływu symulatora światła słonecznego na ludzi było głównym punktem omawianego projektu badawczo – rozwojowego. Miało ono wykazać potencjalne korzyści z wykorzystania tego urządzenia w stosunku do tradycyjnych źródeł światła sztucznego.
 
Badania przeprowadzono w analogowej bazie kosmicznej do przeprowadzania symulacji misji księżycowych i marsjańskich o nazwie Analog Astronaut Training Center, gmina Rzepiennik Strzyżewski woj. małopolskie. Habitat wykonano w domu mieszkalnym odpowiednio zaizolowanym od światła słonecznego i wyposażonym w sprzęt niezbędny do przeprowadzania symulacji misji kosmicznych, zbliżony do infrastruktury wyniesionej na międzynarodową stację kosmiczną (glovebox, klimatyzator, laboratoria spektrometryczne, biochemiczne, pracownia elektroniczna, druk 3D, siłownia, maszyny do symulacji mikrograwitacji, mikroharvestery, lodówka, zamrażarka, kuchenka indukcyjna, mikrofala, monitory, komputery, tablety, sprzęt do pomiarów medycznych, sprzęt ratunkowy, hermetyczne pojemniki na odpady, itd..). W obiekcie o powierzchni użytkowej ok. 60 m2 znajdują się 4 moduły funkcyjne oraz dwa moduły sanitarne.
 
   
 
W habitacie Analog Astronaut Training Center z sukcesem przeprowadzono analogowe symulacje misji kosmicznych. Misja marsjańska od misji księżycowej różni się procedurami w komunikacji z Centrum Kontroli Misji (opóźnienie w komunikacji ok. 40 min.) oraz zastosowanie czasu marsjańskiego wraz z aktualizacją pogody na Marsie. W przypadku misji księżycowej zastosowany jest czas księżycowy - Lunar Standard Time wraz z aktualizacjami środowiska księżycowego.
 
Badanie odbywało się wśród zdrowych wolontariuszy z Polski w wieku 19-39 lat, którzy własnowolnie wyrazili chęć do uczestnictwa w eksperymencie. W trakcie misji analogowi astronauci wykonywali zaplanowane wcześniej badania naukowe. Analogowi astronauci byli monitorowani i wspierani przez cały okres trwania misji przez osoby w Centrum Kontroli Misji drogą zdalną przez internet. Dane z monitoringu posłużyły do analizy behawioru załogi przez psychologa z Centrum Kontroli Misji.
 
Badanie podzielono na kilka tzw. misji o czasie trwania 2 lub 3 tygodni. Każda misja obejmowała ściśle określony plan zadań i trybu życia załogi. Misje podzielono na następujące okresy:

1. Pierwszy miesiąc – tradycyjne oświetlenie sztuczne, światło białe;
2. Drugi miesiąc – symulator światła słonecznego z dodatkiem 3 godzin promieniowania podczerwonego;
3. Trzeci miesiąc - symulator światła słonecznego z dodatkiem 3 godzin promieniowania podczerwonego oraz 3 godzin światła ultrafioletowego.

 
Ścisła kontrola emisji światła była możliwa dzięki systemu sterowania dostarczonemu wraz z zestawem symulatorów światła słonecznego.
 
Efekty działania oświetlenia badane były poprzez analizę hormonów stresu w ślinie, oraz analizę parametrów biochemicznych w krwi, kale i moczu przed i po misji. Pobieranie próbek wykonywane było osobiście przez astronautów. Zbierano także podstawowe pomiary związane z przemianą materii:

• dzienna ilość wypitej wody,
• dzienna objętość wydalonego moczu,
• pomiary temperatury ciała 4 razy dziennie w równych odstępach czasu.

 
Zbierane próbki posłużyły do przeprowadzenia następujących badań laboratoryjnych:

• badanie stężenia serotoniny
• badanie stężenia kortyzolu
• badanie stężenia melatoniny
• badanie stężenia testosteronu
• test witaminy d z krwi naczyń włosowatych
• analiza rytmów okołodobowych
• monitoring metabolizmu wody
• monitoring snu

 
Ponadto przeprowadzono serię badań psychologicznych opartych o zestawy ankiet dotyczących subiektywnych odczuć związanych z światłem sztucznym emitowanym w trakcie trwania wszystkich misji.


Opracowanie wniosków z przeprowadzonych badań
 
Badania na ludziach miały na celu określenie wpływu sztucznego oświetlenia na organizm. We wszystkich badanych przypadkach nie stwierdzono negatywnego wpływu na organizm ludzki w czasie dwutygodniowej ekspozycji w izolacji od innych źródeł światła. Stwierdzono cały szereg działań dobroczynnych zastosowania UV w spektrum oświetlenia sztucznego:

• Analiza zmian behawioralnych nie wykazała negatywnego wpływu oświetlenia na zachowanie uczestników badania. Analogowi astronauci raportowali zwiększona koncentrację w czasie pracy w testowanym oświetleniu. Osoby przebywające w izolacji od światła słonecznego nie czuły potrzeby wyjścia na działanie promieni słonecznych, brakowało bardziej kontekstu kontaktu z naturą w odniesieniu do światła słonecznego. Osoby raportowały, że symulator światła słonecznego w habitacie nie przypominał światła słonecznego ze względu na brak zróżnicowania w natężeniu i kolorycie w czasie dnia, jak to jest w przypadku zmiennego światła słonecznego uzależnionego od zmiennych warunków pogodowych. Jednolitość i stałość parametrów oświetlenia dawała jasno do zrozumienia, że oświetlenie jest sztuczne, ale we wszystkich opiniach było ono komfortowe i nieinwazyjne.
• Analiza zmian morfologicznych, jak kolor skóry po ekspozycji na UVB, obecność miejscowych zmian pigmentacji skóry, czy płowienia włosów, nie wykazała zmian, jakie obserwowane są przy ekspozycji na światło słoneczne. Powodem była limitowana dawka UV w eksperymencie ze względów bezpieczeństwa.
• Analiza zmian biochemicznych i molekularnych wykazała pozytywny wpływ na syntezę kluczowych związków zegara biologicznego oraz hormonów: kortyzolu, melatoniny, serotoniny i testosteronu. Przebywanie w sztucznym świetle powoduje znaczący spadek syntezy powyższych związków. Testowane światło (z pasmem UV), może wpływać na wzrost poziomów kluczowych związków w organizmie ludzkim. Oszacowano że aby utrzymać równowagę w poziomie związków światło reaktywnych, należałoby przebywać w testowanym typie oświetlenia w różnych odcinkach czasu w zależności od rodzaju substancji: około 4 godziny dla utrzymania poziomu melatoniny, 13 godzin dziennie dla utrzymania poziomu serotoniny, 7,5 godziny w celu utrzymania poziomów testosteronu. Ponieważ badania były wykonywane w pełnej izolacji od światła słonecznego, ekspozycje na testowane oświetlenie mogłyby być mniejsze u osób, które regularnie wychodzą na zewnątrz na działanie promieni słonecznych. Zmiany zaobserwowano w metabolizmie wody, ale nie w rytmach okołodobowym ze względu na narzucony czas regularnych faz oświetlenia i ciemności.
• Zaobserwowano pozytywny wpływ oświetlenia na bilans wody oraz syntezę witaminy D. Już 20 minutowa ekspozycja na światło z odsłoniętą twarzą i rękami wpływa na jej syntezę w organizmie. Przy zastosowanych parametrach oświetlenia wystarczyłoby 5 godzin ekspozycji, aby wyprodukować dzienne zapotrzebowanie na witaminę D w organizmie.

 
Wyniki podsumowano w poniższej tabeli.
 

	Wyjaśnienie	Wpływ
Typ oświetlenia	Każdy rodzaj oświetlenia był testowany przez 2 lub 3  tygodnie w całkowitej izolacji od światła dziennego	Kontrolne (światło białe)	Symulator + IR	Symulator + IR + UV
Zmiany molekularne	Ekspresja serotoniny	Spadek	Spadek	Wzrost
	Ekspresja melatoniny	Spadek	Spadek	Wzrost
	Ekspresja kortyzolu	Spadek	Spadek	Wzrost
	Ekspresja witaminy D	Spadek	Spadek	Wzrost
Zmiany biochemiczne	Zmiana metabolizmu wody	Spożywanie większej  ilości wody	Spożywanie mniejszej  ilości wody	Wyrównany bilans  wody (picie/wydalanie)
	Zmiana rytmów biologicznych	Nie	Nie	Nie
Zmiany morfologiczne	Zmiana koloru skóry pod wpływem UVB	Nie	Nie	Nie
Zmiany behawioralne	Motywacja do pracy	Spadek	Spadek	Wzrost
	Poziom koncentracji	Spadek	Spadek	Wzrost
	Uczucie zmęczenia	Wzrost	Wzrost	Spadek
	Bóle głowy	Nie	Nie	Nie
	Agresja	Nie	Nie	Nie
	Smutek	Nie	Nie	Nie

 
 
Z opinii analogowych astronautów wynika, że oświetlenie zastosowane w habitacie nie miało negatywnego znaczenia na przebieg misji. Członkowie załóg nie czuli potrzeby wyjścia na światło słoneczne w czasie izolacji. Nie odczuwali niedoświetlenia, zburzeń wzroku, bólu głowy. Regularnie przechodzili z fazy snu do fazy aktywności. Tylko część osób raportowała zaburzenia snu związane ze stanem emocjonalnym nie wynikającym z przebiegu misji. Po wyjściu z habitatu w słoneczny dzień, analogowi astronauci nie mrużyli oczu, co oznacza, że natężenie oświetlenia w habitacie było prawidłowo dobrane. W przypadku jetlagów w jednej z misji, dwie osoby
zaraportowały bezproblemowe przejście w inną fazę czasową. Pozostałe osoby raportowały stan typowy dla jetlag. W czasie misji z zastosowaniem światła UV nie zaobserwowano zjawiska opalenia skóry w wyniku promieniowania UV.
 
 
Podsumowanie działań dobroczynnych oświetlenia testowego z pasmem UV:
 

• zwiększona koncentracja i motywacja do pracy, brak potrzeby stymulacji organizmu kofeiną i napojami energetyzującymi,
• aktywacja witaminy D już po 20 minutowej ekspozycji,
• zbilansowany metabolizm wody,
• wzrost poziomów serotoniny i tym samym poprawa samopoczucia, redukcja stanów depresyjnych,
• poprawa jakości snu przez regulację rytmu wydzielania melatoniny.

 
UWAGA! Nie wiadomo, jaki wpływ oświetlenia na ludzi miałaby długoterminowa ekspozycja na symulator światła słonecznego wynosząca miesiąc i dłużej. Wykonane badanie jedynie potwierdziło, że testowane światło ma istotny wpływ na funkcjonowanie organizmu i nie jest obojętne dla procesów zachodzących wewnątrz skóry, oczu i mózgu.
 
Na koniec sformułowano zalecenia i sugestie dotyczące przyszłej komercjalizacji produktu symulatora światła słonecznego:

1. Światło należy stosować w miejscach, gdzie charakter pracy wymaga wzmożonej koncentracji i aktywności.
2. Światło nie powoduje opalenizny jak solarium, można więc bezpiecznie chodzić w ubraniach z krótkim rękawem, czy gołymi nogami.
3. Światło wpływa na syntezę związków zależnych od światła UV, takich jak melatonina, serotonina, kortyzol i testosteron. Właściwie dawkowane, może regulować pracę zegara biologicznego, ułatwia zasypianie, zwiększa motywację w fazie aktywności.
4. Światło może służyć jako substytut kawy i witaminy D, ponieważ działa pobudzająco i bierze udział w syntezie kalcyferolu w skórze podobnie jak słońce, ale o wiele mniej inwazyjnie.

Opracowanie projektu systemu rozwiązań oświetleniowych umożliwiających oświetlenie pomieszczeń światłem symulującym światło słoneczne
 
Zaprojektowany i wykonany dla potrzeb badań wpływu symulatora światła słonecznego na organizmy żywe prototyp oprawy oświetleniowej uzyskał formę kompaktowej oprawy liniowej o wymiarach 600 x 120 x 28 mm, emitującej w jedną stronę światło rozproszone za pomocą przesłony mikropryzmatycznej. Forma ta miała zapewnić łatwość montażu i użytkowania we wszystkich omówionych środowiskach badawczych.
 
Jednak testowana technologia nie musi być ograniczona do tego typu rozwiązania. Niewielkie moduły LED, stanowiące źródło światła, mogą być instalowane w różnego typu oprawach oświetleniowych, lub szerzej, w rozwiązaniach oświetleniowych, który to termin wykracza poza proste rozmieszczanie opraw oświetleniowych na suficie pomieszczenia. W szczególności dotyczy to aspektu poruszonego w ankietach uczestników badania na ludziach, a dotyczącego niekorzystnego podobieństwa formy symulatora światła słonecznego do zwykłej oprawy oświetlenia sztucznego. Ten prozaiczny aspekt psychologiczny, związany z oczekiwaniem ekwiwalentu światła słonecznego w pomieszczeniu w formie innej, niż tradycyjna oprawa oświetleniowa, można wykorzystać dla dodatkowego wzmocnienia sugestii przebywania w świetle dziennym.
 
Przykładem tego typu rozwiązania może być instalacja zaprojektowana przez QLAB Laboratory of Light, dla jednego z budynków biurowych w Katowicach, w której niewidoczne dla użytkownika oprawy oświetleniowe umieszczone są ponad ażurowym sufitem podwieszonym, oświetlając znajdujący się ponad nim strop i dostarczając wrażenia widoczności nieba, co zostało spotęgowane odpowiednim doborem widma światła i jego temperatury barwowej.
 
   
 
Omawiane rozwiązanie nie zawiera zakresu światła UV, jednak jego wykorzystanie w przyszłych projektach jest całkowicie możliwe, dostarczając dodatkowej funkcjonalności i wynikających z omawianego projektu korzyści zdrowotnych dla pracowników.
 
Aby umożliwić łatwą implementację zakresu światła UV, stworzono projekt kompaktowego modułu świetlnego LED, opartego o specyficzne diody emitujące światło w zakresach niewidzialnych. Niewielkie rozmiary tego modułu umożliwiają jego wbudowanie do większych opraw oświetleniowych, jako grupę dodatkowych elementów, a w przypadku opraw kompaktowych (takich, jak punktowe oprawy typu downlight) wykonanie określonej części takich opraw w pomieszczeniu jako źródeł światła niewidzialnego, uzupełniających tradycyjne oświetlenie.
 
   
 
Podsumowanie
 
Przeprowadzony projekt badawczo – rozwojowy spełnił oczekiwania firmy QLAB Laboratory of Light i pozwolił potwierdzić potencjał tego typu rozwiązań. Uczestnicy misji w habitacie zamkniętym, a więc osoby, które jako pierwsze miały styczność z projektowanym symulatorem światła słonecznego, wykazały duże zainteresowanie tym rozwiązaniem i potencjalną chęć jego zakupu. Jednak możliwości dystrybucji tego typu rozwiązań posiadają pewne ograniczenia.
 
 
Ograniczenia w dystrybucji omawianych rozwiązań oświetleniowych
 
Budowa symulatora obejmowała rozwiązanie kilku zagadnień technicznych, związanych z doborem źródeł światła, ich właściwym zasileniem i co najważniejsze, sterowaniem. Ten ostatni aspekt stanowi najpoważniejszą barierę w udostępnieniu produktu dla nabywców indywidualnych. Problem stanowi światło UV, które, choć jak wykazały badania, jest źródłem szeregu korzyści, to jednak niesie ze sobą również zagrożenia. Dlatego kluczowe jest zapewnienie ścisłej kontroli ilości światła UV emitowanego przez symulator, w tym czasu jego emisji, co jest praktycznie niewykonalne w sytuacji samodzielnego używania produktu przez klienta. Kontrola emisji poszczególnych części spektrum światła jest możliwa tylko w przypadku centralnego sterowania oświetleniem w obiekcie, dotyczy więc jedynie dużych inwestycji publicznych lub komercyjnych, wyposażonych w zaawansowane systemy zarządzania instalacjami budynkowymi.
 
 
Wniosek końcowy
 
Program badawczo – rozwojowy zakończył się wynikiem pozytywnym, osiągnięto założony cel. Opracowane rozwiązanie pod nazwą QSUN, emitujące światło widzialne o zmiennej temperaturze barwowej, w zakresie 2700-6500 K i charakteryzujące się współczynnikiem oddawalności barw CRI min. 95 (R9>85) oraz opcjonalną sekcją UVA+UVB, zostanie wykorzystane w opracowaniach projektowych i skierowane do stosowania w realizowanych inwestycjach.
 
 
Zespół autorski
mgr inż. Tomasz KLIMEK
mgr inż. arch. Aleksander NOWACKI
mgr inż. Dariusz PIECH
mgr inż. arch. Krzysztof OSTROWSKI
mgr inż. arch. Adam PRZYBYŁA
mgr inż. Maciej NOWAK
 
Współpraca naukowa
dr Agata KOŁODZIEJCZYK
prof. Elżbieta PYZA
doc. Mirosław KROŚNIAK
prof. Barbara BOBROWSKA