Beleuchtungssysteme für das Pflanzenwachstum der Zukunft

Während die Weltbevölkerung stark wächst und von der UNO im Jahr 2050 auf knapp zehn Milliarden Menschen geschätzt wird, entsteht gleichzeitig ein Mangel an Fläche zum Anbau von Lebensmitteln. Eine mögliche Lösung: Um den steigenden Bedarf an Lebensmitteln trotzdem zu decken, kann im Bereich des Gartenbaus (Hortikultur) die Anbaufläche nicht mehr nur auf die ebene Fläche beschränkt werden, sondern muss auch in die Höhe erfolgen, zum Beispiel mit Regalsystemen. Damit lässt sich ein deutlich höherer Ertrag von Gemüse, Früchten, Algen und Kräutern auf einer deutlich geringeren Grundfläche erzielen. Beim sogenannten Vertical Farming spielt die Beleuchtung eine große Rolle, da das Sonnenlicht vor allem bei größeren Anlagen nicht alle Pflanzen auf jeder Ebene erreichen kann. Der Einsatz von Beleuchtung hat zusätzlich den Vorteil, dass der Anbau der Pflanzen unabhängig von der Tageszeit und Saison stattfinden kann. Damit lassen sich weitere Einsatzgebiete erschließen, wie zum Beispiel die Begrünung von Hotel- und Büroräumen oder die Pflanzenzucht im eigenen Heim über das ganze Jahr hinweg. Auch scheinbar ungeeignete dunkle Räume lassen sich mithilfe der speziellen Pflanzenbeleuchtung zur Aufzucht von Pflanzen nutzen.

Welche Vorteile bieten LEDs?

Die bisher häufig eingesetzten Hochdruck-Natriumdampflampen haben den großen Nachteil, dass sie eine hohe Wärmestrahlung aufweisen. Damit sind sie an einen gewissen Abstand zur Pflanze gebunden, sodass es nicht zu negativen Auswirkungen wie einer Austrocknung oder Verbrennung der Pflanze kommt. Aus diesem Grund beschränkt sich der Ort für die Anbringung herkömmlicher Leuchtmittel auf die Decke.

Beim Einsatz von LEDs hingegen ergeben sich durch die Technologie und die kompakte Bauform neue Gestaltungsmöglichkeiten für Beleuchtungssysteme sowie eine deutliche Qualitätssteigerung aufgrund der wesentlich höheren Lebensdauer von 50.000 Stunden statt der bisherigen 8000 Stunden. Der Flexibilität bei der Gestaltung sind hier im Gegensatz zu den Hochdruck-Natriumdampflampen keine Grenzen gesetzt. Sowohl eine klassische Deckenbeleuchtung als auch eine Beleuchtung von der Seite oder zwischen den Pflanzen lässt sich mit LEDs realisieren. Bei den beiden letztgenannten Varianten besteht zudem der Vorteil, dass die Blätter keinen Schatten auf den restlichen Pflanzenanteilen erzeugen. Zudem lässt sich das Lichtspektrum an die Bedürfnisse des Wachstums der jeweiligen Pflanze anpassen.

Geeigneter Spektralbereich

Das Licht spielt für das Leben und Wachstum von Pflanzen eine wesentliche Rolle. Die Pflanze benötigt eine ausreichende Menge an Licht als Energiequelle, damit eine optimale Photosynthese stattfinden kann. Der Photosynthese-Prozess ist verantwortlich für die Bildung von neuen Zellen und ermöglicht das Wachstum der Pflanze. Doch nicht nur die Lichtmenge ist ausschlaggebend, sondern auch, welche spektralen Lichtanteile bei der Pflanze ankommen. Nicht jeder Spektralbereich weist die gewünschten positiven Effekte auf. Vorwiegend blaue und rote Wellenlängen, welche vom Blattgrün beziehungsweise Chlorophyll in der Pflanze hauptsächlich absorbiert werden, zeigen förderliche Eigenschaften für das Wachstum der Pflanzen und ihrer Früchte.

Wie sich die einzelnen spektralen Lichtanteile auf das Wachstum von Pflanzen auswirken, konnte der LED-Hersteller Allix anhand von Feldversuchen unter anderem mit Salatpflanzen verdeutlichen. Über einen Zeitraum von 21 Tagen wurde jede Jungpflanze einer separaten Beleuchtung mit einer ausgewählten Wellenlänge ausgesetzt. Ein maximaler Ertrag wurde bei einer Wellenlänge von 455 nm (blau) und 660 nm (rot) festgestellt. Dieses Ergebnis spiegelt den Zusammenhang zwischen der Lichtaufnahme des Chlorophylls in der Pflanze und dessen Auswirkungen auf das Wachstum wieder.

Der rote Spektralanteil ist dabei vor allem für einen schnellen Austrieb förderlich und regt die Pflanzen zum Blühen an. Ist der Rotanteil bei der Beleuchtung zu hoch, können die Triebe in kurzer Zeit zu groß werden und das proportional zu schwere Eigengewicht nicht mehr tragen. Der Blauanteil hingegen fördert das generelle Wachstum der Pflanzen, das vor allem in der frühen Wachstumsphase wichtig ist. Durch die Kombination aus rotem und blauem Spektralbereich ließen sich bisher die größten Erträge und die beste Gesundheit und Standfestigkeit bei den Pflanzen erzielen.

Thema der nächsten Seite sind verschiedene Beleuchtungsmöglichkeiten

Bild 1: Absorptionsspektrum von Chlorophyll A und B sowie Emissionsspektrum der PGRB-LED. Allix / Eurolighting

Bild 2: Emissionsspektrum der PGWH-LED. Allix / Eurolighting

Bild 3: Emissionsspektrum der Vollspektrum-LED mit 4000 K. Allix / Eurolighting

Mithilfe einer speziellen Phosphorzusammensetzung hat Allix eine LED entwickelt, die genau den Blau- und Rotanteil ausstrahlt, der sich für das Pflanzenwachstum als besonders förderlich erweist. Damit werden keine einzelnen blauen und roten LEDs mehr benötigt und das Spektrum lässt sich mithilfe einer einzigen LED abdecken. Das PGRB-Spektrum (Bild 1) ist ganz klar auf schnelles Wachstum und einen maximalen Ertrag ausgelegt, da es die Absorptionskurve von Chlorophyll A und B optimal abdeckt.

Je nachdem um welche Pflanzenart es sich handelt, etwa eine Frucht- oder Blütenpflanze, können die Anforderungen an die Beleuchtung variieren. Eine Tomatenpflanze hat beispielsweise einen zehnmal höheren Bedarf an Beleuchtungsstärke als eine Orchidee, um ein optimales Wachstum zu fördern. Bei Frucht- und Blütenpflanzen wird für die schnelle und ertragreichere Entwicklung ein höherer roter Lichtanteil eingesetzt. Dementsprechend ist es empfehlenswert, die individuellen Bedürfnisse der jeweiligen Pflanzenart für das Beleuchtungskonzept zu berücksichtigen.

Eine weitere Möglichkeit, ein gesundes und natürliches Wachstum der Pflanzen anzustreben, besteht darin, sich an den natürlichen Lichtverhältnissen zu orientieren statt sich ausschließlich auf die blauen und roten Spektralanteile für maximales Wachstum zu fokussieren. Hier eignet sich entweder das PGWH-Spektrum (Bild 2), das neben Blau und Rot zudem den Spektralanteil im Grün-Gelb-Bereich miteinbezieht. Die ideale Nachahmung des Sonnenlichtspektrums lässt sich durch den Einsatz von Vollspektrum-LEDs (Bild 3) erzielen. Sie bieten eine breite und gleichmäßige Lichtverteilung über den gesamten sichtbaren Bereich und einen exzellenten Farbwiedergabeindex von bis zu 98 für die Pflanzenbeleuchtung. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sie ein weißes Licht im Gegensatz zum typischen pinken Licht bei der Nutzung von einzelnen roten und blauen LEDs ausstrahlen. Dieses wirkt nicht nur ästhetisch ansprechender, sondern ist vor allem auch bei langem Aufenthalt unter der Beleuchtung angenehmer für die Augen.

Individuelles Entwicklungskonzept

Für das Entwicklungskonzept einer Pflanzenbeleuchtung besteht je nach Anforderung des Beleuchtungssystems die Möglichkeit, aus einem reichhaltigen Sortiment an LED-Größen und -Spektren zu wählen. Sowohl die PGRB-, PGWH- und Vollspektrum-Varianten als auch monochromatisches Licht mit Peak-Wellenlänge bei 455 nm (blau), 660 nm (rot) und 730 nm (tiefrot) sind als SMD-LEDs in diversen Baugrößen (5,6 × 3,0 mm – höchste Effizienz, 5,4 × 5,0 mm, 2,8 × 3,5mm, 3,5 × 3,5 mm und 1,8 × 1,8 mm) erhältlich. Für High-Power-COBs sind zudem Baugrößen ab 13 × 13 mm bis hin zu 38 × 38 mm beziehungsweise von 4 bis 100 W in den jeweiligen Ausführungen möglich.

Um bei der Entwicklung Zeit und Ressourcen zu sparen und dabei ideale Ergebnisse zu erzielen, bietet Eurolighting kundenspezifische LED-Module an, die sich individuell an die Anforderungen im jeweiligen Anwendungsbereich anpassen lassen. Wie detailgenau das Konzept des Moduls vorgegeben wird oder ob ausschließlich einzelne Zielparameter erfüllt werden sollen, entscheidet der Kunde.

Vor allem bei der Entwicklung und Produktion von AC-Modulen haben Eurolighting und sein Partner RF Semi aus Korea große Erfahrung. Die AC-Module bieten die Möglichkeit, diese direkt an den Stromkreislauf mit 230 V anzuschließen und sie benötigen kein Netzteil. Damit lassen sich aufgrund der Reduzierung an Bauteilen erheblich Platz und Ressourcen einsparen. Zudem besitzen die AC-Module einen hohen Leistungsfaktor PFC von 0,97 im Vergleich zu herkömmlichen LED-Modulen. Die Module haben eine Lebensdauer von über 50.000 Stunden und eine Spannungsfestigkeit von >3 kV.

Für die Beleuchtung im Gewächshaus und im Gartenbau der Zukunft bieten sich also viele neue Möglichkeiten. Jetzt ist der ideale Zeitpunkt, um innovative Produkte in diesem neuen Markt zu platzieren und den Trend in eine lösungsorientierte Zukunft zum Wohle der ausreichenden Versorgung der Bevölkerung voranzutreiben. Länder wie die USA haben bereits die Chance erkannt und die ersten Produkte für Vertical Farming auf den Weg gebracht. Nun ist es an der Zeit, diesem Trend auch in Deutschland rechtzeitig zu folgen.

(neu)