Gartenbau Mit LED-Licht das Pflanzenwachstum beeinflussen

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Optimiertes Licht für das Pflanzenwachstum soll höhere Erträge bringen. In unserem Beitrag zeigen wir, worauf es beim künstlichen Licht ankommt und wie es sich messen lässt.

Menschen nehmen Farben unterschiedlich empfindlich wahr. Die maximale Empfindlichkeit des Auges liegt im grüngelb-Bereich und so wurde gemäß DIN5031 der Wert auf 555 nm festgelegt. Die daraus abgeleitete Empfindlichkeitskurve V(λ) für das Tagsehen, dem sogenannten photopischen Sehen, eines Menschen beschreibt die Grafik auf Seite 16. Ergänzend ist dort noch die Empfindlichkeitskurve bei geringer Lichtstärke eingetragen. Zudem gibt es unter anderem auch eine Empfindlichkeitskurve, welche die Melatoninproduktion des Menschen bewirkt. So unterschiedlich, wie wir Menschen auf die Zusammensetzung des Lichtspektrums reagieren ist es auch bei den Pflanzen.

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Ähnlich wie beim Menschen, so ist auch für das Pflanzenwachstum Licht notwendig. Kurzer Exkurs: Beim Prozess der Photosynthese (Assimilation) werden aus Wasser und Kohlendioxid in Verbindung einfallender Strahlungsenergie organische Verbindungen hergestellt, sowie Sauerstoff freigesetzt. Hierbei werden Pflanzenentwicklung und –Wachstum durch die Stärke der Einstrahlung, Belichtungsdauer und der spektralen Zusammensetzung des Lichtes maßgeblich beeinflusst.

Das Chlorophyll und die verschiedenen Wellenlängen

Die Wissenschaft hat den Wellenlängebereich des Lichtes für Pflanzen von 400 nm bis 700 nm gemäß CIE 106/8 festgelegt und in Teilbereiche unterteilt. Die Teilbereiche beeinflussen Pflanzen in unterschiedlichster Art und Weise. Das Sonnenlicht erzeugt ein Spektrum an elektromagnetischer Strahlung von 280 nm bis 2800 nm. Das Bild zeigt einige Empfindlichkeitskurven aus den Teilbereichen: Im Speziellen zeigt sich beispielsweise für Chlorophylle bzw. Carotinoid eine besondere Empfindlichkeit bei Wellenlängen um den Bereich 430 nm/660 nm (Chlorophyll A), 460 nm/640 nm (Chlorophyll B), 460 nm (Carotene) bzw. 730 nm (Chlorophyll f).

Die Chlorophylle als natürliche Farbstoffe in Pflanzen sind hauptverantwortlich für die Absorption der Lichtenergie und können als Energieumwandler verstanden werden. Zum Vergleich: Das menschliche Auge nimmt den sichtbaren Anteil von 380 nm bis 780 nm wahr. Aus der Vielzahl der für die Photosynthese unterschiedlichen Absorptionsspektren haben sich zusammengefasst zwei in der Praxis verwendete Wirkspektren bewährt. Aus der Arbeit von Shinji Tazawa und McCree bei der Untersuchung von ca. 60 unterschiedlichen Pflanzenarten hat sich das sogenannte McCree-Action-Spectrum durchgesetzt. Allerdings gibt es in der Pflanzenwelt keine allgemeingültige ideale spektrale Verteilung. Hierzu sei auf den ausführlichen Online-Text verwiesen.

Physikalische Größen und ihr Zusammenhang

Die Wärmeleistung, unabhängig vom Heizofen oder der Strahlungsleistung der Sonne, wird mit der elektrischen Einheit Watt [W] beschrieben. Daraus abgeleitet ist beispielsweise die Einheit für Bestrahlungsstärke in W/m². Sie sagt aus, wie viel Wärmeleistung beispielsweise ein Solarpanel je Quadratmeter aufnehmen kann. Diese radiometrischen Größen wurden in der Lichttechnik, bedingt durch die Bewertungskurve V(λ) durch die Einheiten Lumen für den Lichtstrom bzw. der Einheit Lux für Beleuchtungsstärke zur Abgrenzung abweichend benannt. Diese photometrischen Größen können, aufgrund der wiederum abweichenden Empfindlichkeitskurven, nicht zur Bewertung der Lichtenergie für Pflanzenwachstum herangezogen werden.

Im Jahr 1972 legte McCree die Anzahl der Photonen im Wellenlängenbereich 400 nm bis 700 nm als Maß für die Photosyntheseeffizienz fest. Grund war eine Studie die zeigte, dass es eine Beziehung zwischen der Photonenanzahl und Photosynthese gibt. Die hierfür verwendete Einheit für die Anzahl der je Zeiteinheit abgestrahlten Lichtenergie oder auch Photosyntetische-Aktive-Strahlung lautet μmol/s und wird Photosynthetischer Photonenfluss (PPF) bezeichnet.

Der wirksame Anteil des Photonenstroms auf eine Fläche lautet entsprechend Photonenstromflußdichte bzw. als PPFD mit Einheit μmol/m²*s. Für den Einsatz von künstlichem Licht beim Pflanzenwachstum spricht die Tatsache, dass sich maximales Wachstum auf kleinstem Raum erreichen lässt. Zur Steigerung des Wachstums und somit des Ertrages dient Assimilationslicht.

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