Vertical Farming Horticulture-LEDs verbessern das Pflanzenwachstum

Ein Gastbeitrag von Johann Waldherr*

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In vielen Regionen auf der Welt herrscht Knappheit an Anbaufläche und Wasser. Vertical Farming ist eine zukunftsweisende, alternative Anbauform. An der hochtechnisierten Pflanzenproduktion ist Elektronik ein wichtiger Helfer.

Vertical Farming: Auf engsten Raum und mit speziellem LED-Licht lässt sich das Pflanzenwachstum optimieren. An der Forschung zur hochtechnisierten Pflanzenproduktion in geschlossenen Räumen ist das Tech-Unternehmen Würth Elektronik beteiligt.
Vertical Farming: Auf engsten Raum und mit speziellem LED-Licht lässt sich das Pflanzenwachstum optimieren. An der Forschung zur hochtechnisierten Pflanzenproduktion in geschlossenen Räumen ist das Tech-Unternehmen Würth Elektronik beteiligt.
(Bild: Würth Elektronik)

Pflanzenproduktion ohne Boden und Sonne, frei hängende Wurzeln im Nährlösungsnebel: Eher ein Bild von einem Raumfahrtprojekt. Doch solche Pflanzenfabriken entstehen nicht auf dem Mars, sondern vor allem in Asien und den USA. Zum Beispiel in New Jersey mit einer Anbaufläche von rund 6.500 m² und damit eine der größten PFAL (Plant Factory with Artificial Lighting) weltweit.

Der Betreiber gibt an, bis heute mehr als 550 verschiedene Obst- und Gemüsesorten angebaut zu haben, dabei 95 Prozent weniger Wasser und 40 Prozent weniger Dünger als im landwirtschaftlichen Anbau zu benötigen und völlig ohne Pestizide auszukommen. Produziert werden vor allem sogenannte „Microgreens“, also essbare Sprossen und Jungpflanzen wie Grünkohl, Rucola, Baby Pak Choi oder Baby Brokkoli.

Hightech in der Pflanzenproduktion

Die Pflanzenproduktion im Innenraum mit erdlosen Methoden wie Hydroponik, Aeroponik und Aquaponik ist Hightech. Neben den Fragen der Hydrokultur und der Steuerung der Umweltbedingungen bis hin zur „Controlled Environment Agriculture“ (CEA) ist die Beleuchtung ein wesentlicher Aspekt.

„Vertical Farming mit Horticulture-LEDs leistet einen wichtigen Beitrag, um Lebensmittel nachhaltig und vor Ort zu produzieren. Sie ist als Teil der Lösung zu sehen, um zukünftig die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Es ergänzt die traditionelle Landwirtschaft und sorgt für mehr Ertrag und eine sichere Lebensmittelversorgung“, erklärt Alexander Gerfer, CTO der Würth Elektronik eiSos Gruppe und Evangelist for LED-Horticulture.

Grundlagen: Wellenlängen und Photorezeptoren

Bild 1: Charakteristische Absorptionsspektren verschiedener Photorezeptoren für die Photosynthese.
Bild 1: Charakteristische Absorptionsspektren verschiedener Photorezeptoren für die Photosynthese.
(Bild: Würth Elektronik)

Licht verschiedener Wellenlängen wirkt unterschiedlich auf Pflanzen. Nur bestimmte Lichtfrequenzen können von den Pflanzen für die Photosynthese genutzt werden. Diese Frequenzen stehen im Zusammenhang mit den Absorptionseigenschaften verschiedener Photorezeptoren, die in den Chloroplasten genannten Zellorganellen eingebunden sind. Die meisten der Photorezeptoren absorbieren Licht in den Wellenlängen, die den Farben Blau und Rot entsprechen. Deshalb erscheinen die meisten Blätter grün, da diese Wellenlängen zu einem geringen Teil absorbiert werden.

Die wichtigsten Photorezeptoren sind Chlorophyll A, Chlorophyll B und die Carotinoide. Interessanterweise kommt den einzelnen Photorezeptoren in verschiedenen Phasen der Pflanzenentwicklung eine unterschiedliche Bedeutung zu. Ein wichtiger Begriff ist in diesem Zusammenhang PAR (Photosynthetically Active Radiation). Als photosynthetisch aktive Strahlung werden die vorwiegend absorbierten Wellenlängen bezeichnet. Die PAR umfasst ein Spektrum von 400 bis 700 nm (Bild 1).

Darüber hinaus gibt es die Phytochrome: Das sind Photorezeptoren, die in den Pflanzen Prozesse wie die Wachstumsrichtung oder die Blütenöffnung steuern. Die Phytochrome absorbieren Licht der Wellenlängen 660 und 730 nm. Hier arbeitet die Forschung noch an einer weitergehenden, spezifischen Optimierung. Der Grund: Welche Wellenlänge was steuert, hängt von der Pflanzengattung ab. Sogar von Sorte zu Sorte gibt es Unterschiede, die man nutzen kann.

Gezielte Beleuchtung mit LED und die Wirkung

Bild 2: Mit rotem Licht bei 660 nm lassen sich zunächst die Vorstufen (Precurser) von Flavonolen erzeugen.
Bild 2: Mit rotem Licht bei 660 nm lassen sich zunächst die Vorstufen (Precurser) von Flavonolen erzeugen.
(Bild: Würth Elektronik)

Auch wenn sich einzelne Sorten optimieren lassen, muss man die grundsätzlichen Zusammenhänge verstehen. Das interdisziplinäre Team für Horticulture-LEDs von Würth Elektronik hat deshalb allgemeingültige Zusammenhänge erforscht, um bestimmte Qualitätsparameter durch die gezielte Beleuchtung zu beeinflussen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse teilt Würth Elektronik mit der Vertical-Farming-Szene: Licht bestimmter Wellenlänge wirkt sich unterschiedlich auf die Pflanzen aus. Das dunkelrote Licht oder Far Red Light mit Spektren von 720 bis 740 nm, das sich im Infrarotspektrum befindet, beeinflusst zum Beispiel die Keimung und kann die Blütezeit von Pflanzen verkürzen. Zugleich fördert es im Zusammenhang mit der Schattenflucht das Längenwachstum.

Das Horticulture-LED-Team konnte feststellen, dass sich mit rotem Licht bei 660 nm (Bild 2) zunächst die Vorstufen (Precurser) von Flavonolen erzeugen lassen. Anschließend kann man mit blauem Licht bei 450 nm daraus Flavonole generieren und innerhalb von acht Tagen verdoppeln, im Vergleich zu Sonnenlicht. Bei Flavonolen handelt es sich um einen Sekundärstoff der Pflanze, der für den Menschen eine antioxidative Wirkung besitzt. Das nennt sich dynamische Beleuchtung. Mit den richtigen Lichtrezepten ist es also möglich, die Bildung sekundärer Pflanzenstoffe zu verstärken.

Spezielle Pflanzenleuchten für Gewächshäuser und Vertical Farming

Bild 3: Mit blauem Licht bei 450 nm lassen sich Flavonole, ein Sekundär-Stoff der Pflanze, der für den Menschen eine antioxidative Wirkung besitzt, nach acht Tagen verdoppeln, im Vergleich zu Sonnenlicht.
Bild 3: Mit blauem Licht bei 450 nm lassen sich Flavonole, ein Sekundär-Stoff der Pflanze, der für den Menschen eine antioxidative Wirkung besitzt, nach acht Tagen verdoppeln, im Vergleich zu Sonnenlicht.
(Bild: Würth Elektronik)

Bild 4: Das Beleuchtungssystem „Optimus“ von Engel mit dem Spektrum „Thallo“ hängt im Gewächshaus des Holland Parks in Berlin.
Bild 4: Das Beleuchtungssystem „Optimus“ von Engel mit dem Spektrum „Thallo“ hängt im Gewächshaus des Holland Parks in Berlin.
(Bild: Engel Lighting)

Derzeit setzen Kunden von Würth Elektronik auf Beleuchtungen mit den Horticulture-LEDs des Bauelementeherstellers [1]. Die Firma Engel Lighting [3] hat zusammen mit Würth Elektronik Pflanzenleuchten für die Beleuchtung von Gewächshäusern und für die Beleuchtung in Vertical Farms entwickelt (Bild 3). Man kann die Spektren für spezielle Qualitätsparameter auswählen. Die ausgewählten Spektren wurden mit Hilfe der Pflanzenforschung von Würth Elektronik entwickelt.

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Bei der Berechnung der Spektren und der Auswahl der LEDs wurde der „Horticulator“, ein Modul der Online-Design-Plattform „REDEXPERT“ [2], verwendet. Der „Horticulator“ ermöglicht die Gestaltung individueller Lichtrezepte für Horticulture-LEDs. Aus Angaben zur Anzahl der verwendeten LEDs, des Eingangsstroms und der Eingangsverbindungstemperatur lassen sich Vollspektren, fotosynthetischer Photonenfluss (PPF) und Wellenlängen-Farbverhältnisse berechnen.

Erste Projekte mit den Leuchten waren erfolgreich. So hängt die Leuchte „Optimus“ im neu gestalteten Gewächshaus im Holland Park in Berlin [5].

Das Start-up simplePlant baut mit den Horticulture-LEDs ein Hightech-Minigewächshaus für die Küche mit der Bezeichnung „smartGarten“. Damit ist eine schnelle wasser- und düngersparsame Zucht von Kräutern möglich. Der nächste Schritt wird zwangsläufig die Nutzung einer dynamischen, an Wachstumsphasen angepassten Beleuchtung sein. Insbesondere für den gezielten Anbau wirkstoffreicher Heilpflanzen bietet die Lichtsteuerung großes Potenzial. Würth Elektronik hat das nicht nur durch Forschung zu den Qualitätsparametern vorbereitet, sondern die Möglichkeit, die LEDs individuell anzusteuern und dabei auch einzelne LEDs zu dimmen. Wichtig ist, dass sich die emittierte Wellenlänge beim Dimmen nicht verändert.

Ein Development-Kit in der zweiten Generation

Für die Entwicklung von LED-Treibern mit mehreren dimmbaren Kanälen stellt Würth Elektronik ein Referenzdesign für einen LED-Treiber mit 86 W zur Verfügung, mittlerweile in der zweiten Generation. Mit dem Lighting Development-Kit lassen sich RGBW-Farben für verschiedene Beleuchtungssituationen mischen. Damit wird das Pflanzenwachstum mit dem Horticulture-Panel verstärkt. Hinzu kommt mit dem „Sunshine Panel“ eine Lösung für die Innenraumbeleuchtung auf Basis von Human Centric Lighting (HCL).

Das Design des Development-Kit erfüllt die EMV-Normen (EN55015) und kann um zusätzliche Kanäle erweitert werden, die sich unabhängig voneinander oder mit anderen Kanälen über den PWM-Ausgang ansteuern lassen. Das System lässt sich vom Entwickler problemlos neu konfigurieren oder an die Kundenanforderungen anpassen.

Der Weg geht weg von traditionellen, entladungsbasierten Beleuchtungstechniken hin zu Horticulture-LEDs. Harun Özgür von Würth Elektronik eiSos ist als Division Manager Optoelectronics zuversichtlich, dass die von Würth Elektronik untersuchte Nutzung von Lichtrezepten die Pflanzenzucht optimieren wird und früher oder später auch in kommerziellen Anwendungen Eingang finden wird.

Noch Einzelprojekte, aber Komplettlösungen folgen

Bild 5: Das Lighting Development Kit mit diversen Beleuchtungsplatinen liegt mittlerweile in der zweiten Generation mit zusätzlicher „Sunshine“-Platine vor.
Bild 5: Das Lighting Development Kit mit diversen Beleuchtungsplatinen liegt mittlerweile in der zweiten Generation mit zusätzlicher „Sunshine“-Platine vor.
(Bild: Würth Elektronik)

„Derzeit haben wir es noch mit Einzelprojekten zu tun. Das Thema wird Fahrt aufnehmen, sobald Komplettlösungen für das Vertical Farming auf den Markt kommen, die alle Aspekte der Umgebungskontrolle, Bewirtschaftung, Bewässerungs- und Lichtsteuerung umfassen. Sie müssen einfach in der Anwendung sein. Doch um solche Systeme zu entwickeln, muss das notwendige Know-how gesammelt und ausgetauscht werden. Als Mitglied der Association for Vertical Farming [4] sind wir daran beteiligt“. Die Förderer des Vertical Farmings organisieren sich. Denn die Hindernisse liegen nicht in der technischen Machbarkeit, wie die außereuropäischen Beispiele zeigen, sondern in den politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen.

„Wer Nahrungsmittel mit den Methoden des Vertical Farmings erzeugt, hat ein Vermarktungsproblem: Obwohl die Produktion durch ihre Effizienz ein hohes Maß an Nachhaltigkeit erreichen kann und die Produkte nährstoffreich und weitestgehend schadstofffrei sind, sind sie nicht Bio. Laut EU-Öko-Verordnung 889/2008 dürfen in Hydrokultur erzeugte Pflanzen nicht so bezeichnet werden“, ergänzt Özgür. Bei Würth Elektronik selbst hat der Salat aus dem Schrank kein Imageproblem, denn wenn der Vertical-Farming-Demonstrator nicht gerade auf einer Messe unterwegs ist, steht er in der Kantine des Unternehmenshauptsitzes in Waldenburg und ergänzt das Angebot – frischer und lokaler geht es nicht.

Vertical Farming ist eine vielversprechende Ergänzung der Landwirtschaft, wassersparend und nachhaltig – vorausgesetzt die Energie stammt aus regenerativen Quellen. Würth Elektronik liefert als Hersteller von Horticulture-LEDs wichtige Beiträge durch die Erforschung der Möglichkeit der lichtgesteuerten Pflanzenzucht einerseits und durch die Unterstützung der Entwickler von Beleuchtungssystemen andererseits. Die Arbeit mit „Lichtrezepten“ wird die Effizienz im Vertical Farming zukünftig weiter steigern.

Entwickler-Kit für Horticulture

Das Entwickler-Kit (Bild 5) mit den speziellen Horticulture-LEDs soll dabei unterstützen, Systeme für die gezielte Pflanzenbeleuchtung zu entwickeln. Es lassen sich Lichtspektren, Beleuchtungsintensität und -intervalle für verschiedene Pflanzen und Qualitätsparameter optimieren.

Mit dem Kit lassen sich RGBW-Farben für verschiedene Beleuchtungsstrategien mischen. Die enthaltenen LEDs decken ein Spektrum von 450, 660 und 730 nm sowie RGBW-LEDs ab. Die Steuerung erfolgt mit der kostenlosen iOS-App „WEilluminate“ über Bluetooth LE. Eine Version für Android soll folgen.

Referenzen

[1] Horticulture-LED bei Würth Elektronik. Abgerufen am 26.9.2022.

[2] Online Design-Plattform REDEXPERT. Abgerufen am 26.9.2022.

[3] Homepage von Engel Lighting. Abgerufen am 26.9.2022.

[4] Homepage der Association for Vertical Farming. Abgerufen am 26.9.2022.

[5] Homepage des Freizeitparks Holland-Parks. Abgerufen am 26.9.2022.

* Johann Waldherr ist Business Development Manager für Horticulture LEDs bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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