Wissenschaft
Licht 6 | 2019

Grüner wird’s nicht

Sensorische Garne für die Steuerung von Pflanzenbeleuchtung
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1 Einleitung

Pflanzen leisten einen wichtigen Beitrag zur Aufenthaltsqualität in Innenräumen. Eine Innenraumbegrünung mit minimalem Platzbedarf lässt sich mit einer vertikalen Pflanzenwand – auch Living Wall genannt – umsetzen. Ein Problem dabei ist allerdings oft ein Mangel an ausreichendem und geeignetem Licht für die Pflanzen. Die allgemeine Raumbeleuchtung reicht oft nicht aus, um ein gesundes Wachstum der Pflanzen zu sichern, weshalb für eine Living Wall in der Regel zusätzliche Lichtquellen installiert werden müssen. In dem hier vorgestellten IGF-geförderten Forschungsvorhaben (IGF: Industrielle Gemeinschaftsforschung und -entwicklung) wurde eine Living Wall entwickelt, die in ihrer Bewässerung und Beleuchtung autonom funktioniert und sich selbst regelt. Eingriffe in die vorhandene Gebäudestruktur oder gebäudetechnik sind nicht erforderlich. Um die Autonomie des Systems hinsichtlich der Beleuchtung zu gewährleisten, wurden textile Lichtstrukturen entwickelt, die direkt in eine Living Wall integriert werden können. Durch lichtsensorische Garne in der Lichtstruktur kann das System auf unterschiedliche und wechselnde Beleuchtungssituationen reagieren. Es wird somit jederzeit für die gesamte Bepflanzung eine angepasste Beleuchtung hinsichtlich Lichtquantität und -qualität bereitgestellt und eine Installation des Living-Wall-Systems ist unabhängig von der Umgebungsbeleuchtung möglich.

2 Lichtstruktur auf Basis von textilen Komponenten

Für die Integration einer pflanzengerechten Beleuchtung in die Living Wall wurde eine textile Lichtstruktur entwickelt. Die textile Lichtstruktur besteht aus einem lichttechnischen Textil, welches auf Strukturspulen aufgespannt ist [1]. Ferner ist in den Aufbau ein lichtsensorisches Garn zur autonomen Regelung der Beleuchtung integriert. Abbildung 1 zeigt eine Strukturspule und den Aufbau der textilen Lichtstruktur.

Abb. 1: Aufbau der textilen Lichtstruktur Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf

Die Strukturspulen bieten optimale Voraussetzungen, um als modulares formgebendes Trägerelement der Lichtstruktur zu fungieren. Neben lichttechnischen Vorteilen sind sie auch sehr stabil, leicht und wirtschaftlich. Das lichttechnische Textil hat eine spezielle Abstrahlcharakteristik, die eine gezielte Lichtlenkung hin zur Pflanze bei gleichzeitig wirksamer Entblendung für den Raumnutzer ermöglicht. Der Aufbau erlaubt die effiziente Nutzung der bereitgestellten LED-Strahlung, da sie in nahezu allen Bereichen ungehindert mit dem lichttechnischen Textil interagieren kann. Letzteres bietet außerdem ein Maximum an Transmission. Abbildung 2 zeigt die sich ergebende richtungsabhängige Verteilung der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) sowie ein Bild der textilen Lichtstruktur mit eingeschalteter Pflanzen- und Ambientebeleuchtung. In die Living Wall wird die textile Lichtstruktur senkrecht verlaufend integriert.
Abb. 2: Verteilung der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) der textilen Lichtstruktur Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf

Es wurden Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um eine optimale Kombination der Lichtanteile für die Bepflanzung in der Vertikalen und die Ambientebeleuchtung zu finden. Dabei stellte sich heraus, dass sobald die Lichtqualität in Form der photosynthetisch relevanten Anteile des Lichts vorhanden ist, für die dauerhafte Vitalität der Pflanzen in erster Linie eine ausreichende Lichtquantität entscheidend ist. Die weißen LEDs, welche sich rechts und links innerhalb der textilen Lichtstruktur befinden, sind für die Pflanzenbeleuchtung verantwortlich (siehe Abbildung 1). Die RGB-LEDs, welche nach vorne aus der Living Wall heraus zeigen, dienen zur Ambientebeleuchtung des Innenraums. Der Nutzer kann verschiedene Lichtfarben auswählen und individuell die Raumsituation gestalten, ohne einen negativen Einfluss auf die Pflanzenbeleuchtung befürchten zu müssen.

3 Lichtkonzept für eine pflanzenangepasste Beleuchtung

Häufig passen Pflanzen ihre Wuchsform der Lichteinfallsrichtung an und bilden ihre Blätter so aus, dass sie der Lichtquelle und somit der Energiequelle möglichst direkt zugewandt sind. Diesen Mechanismus nennt man positiven Phototropismus [2]. Um einseitiges Wachstum der Pflanzen in der Living Wall in die immer gleiche Richtung zu vermeiden, wurde eine Steuerung entwickelt, die eine Rotation des Pflanzenlichts durch segmentweises Aus- und Einschalten der seitlich angeordneten weißen LEDs ermöglicht. Somit rotiert das Licht im Stundentakt um ein Pflanzmodul. Abbildung 3 zeigt diese Rotation des Lichts schematisch an einem Living-Wall-Aufbau. Es entstehen zwei Lichtszenarien (A und B), die sich zwischen 06:00 Uhr und 22:00 Uhr stündlich abwechseln.

Abb. 3: Prinzip der Lichtrotation um ein Pflanzenmodul Deutsches Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf

Durch die Lichtrotation wird das phototrope Pflanzenwachstum so beeinflusst, dass ein ästhetisches, dem natürlichen Habitus sehr ähnliches Wachstum herbeigeführt wird. Es wurden Messungen den den textilen Lichtstrukturen zur Verteilung der Beleuchtungsstärke und der photosynthetisch aktiven Strahlung durchgeführt. Die Ergebnisse der Verteilung der Beleuchtungsstärke der textilen Lichtstrukturen innerhalb der Living Wall zeigt Abbildung 4.
Abb. 4: Verteilung der Beleuchtungsstärke innerhalb der Living Wall bei einer Lichtszene (ohne Ambientebeleuchtung) Deutsches Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf

4 Lichtsensorische Funktion innerhalb der Living Wall

Durch Tages- sowie Kunstlichteinfluss kommt es im realen Einsatz im Tages- sowie Jahresverlauf zu Schwankungen der Umgebungsbeleuchtung. Um ein gesundes und sicheres Pflanzenwachstum zu ermöglichen, ist in den meisten Innenraumsituationen eine Zusatzbeleuchtung nötig. Es wurden hierzu umfangreiche Untersuchungen zur pflanzenangepassten Lichtqualität wie auch -quantität durchgeführt. Die aktuelle Lichtsituation wird innerhalb der Living Wall kontinuierlich überwacht und je nach Bedarf durch die textilen Lichtstrukturen ergänzt. Das lichtsensorische Garn aus diesem Projekt kann in die textile Lichtstruktur integriert werden, da der Aufbau des Garns eine textiltechnische Verarbeitung erlaubt. Diese Positionierung ist aus technischer Sicht ideal, da zum einen die Messung unmittelbar in der Ebene erfolgt, in der die Pflanzen das Licht benötigen. Zum anderen kann durch mehrere lichtsensorische Garne eine ortsaufgelöste Messung über die gesamte Living Wall realisiert werden.

Abb. 5: Schematischer Aufbau eines lichtsensorischen Garns Deutsches Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf

Die lichtsensorischen Garne werden mit Hilfe der Umwindetechnologie hergestellt [3]. Der schematische Aufbau eines lichtsensorischen Garns ist in Abbildung 5 dargestellt. Folgende Parameter beeinflussen die sensorischen Eigenschaften der Garne: die Umwindezahl (also die Drahtumwindungen pro Garnlänge), das Material des textilen Kerns und der Leiter sowie die die Wahl der Halbleiterpartikel. Das für dieses Projekt adaptierte Garn besteht aus einem Polyestergarn als Kern, der mit isolierten Leitern doppelt umwunden wurde. Im Kerngarn befinden sich Halbleiterpigmente, die abhängig von der Beleuchtungsstärke die Kapazität des lichtsensorischen Garns verändern. Dieses Messsignal kann in die Regelung der Living Wall integriert werden und somit die textile Lichtstruktur abhängig von der aktuellen Beleuchtung regeln.

5 Fazit

Die pflanzenangepasste Beleuchtung innerhalb der Living Wall lässt ein optisch ansprechendes Gesamtkonzept für den Nutzer entstehen. Durch die erfolgreiche Integration der textilen Lichtstruktur in die Living Wall und eine ebenfalls über textile Sensorik geregelte Bewässerung ist es gelungen, ein autonomes Living-Wall-System zu entwickeln. Die Projektergebnisse wurden in einem Demonstrator zusammengefasst (siehe Abbildung 6). Der Installationsort befindet sich an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung in Denkendorf. Er steht in einem Vorraum, der angesichts von sehr wenig Tageslichteintrag, für Pflanzen eigentlich zu dunkel ist. Durch die integrierte Beleuchtung gedeihen die Pflanzen im Demonstrator seit November 2018 bestens und die Living Wall wertet den Vorraum ästhetisch deutlich auf.

Abb. 6: Demonstrator des autonomen Living-Wall-Systems mit geöffneter Blende Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf

Literatur

[1] Scharpf, K; Riethmüller, C; Gresser, G.T.: Wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen durch die Strukturspul- und Strukturknäultechnik, Technische Textilien, 04.2016

[2] Kadereit, J. W.; Körner, C.; Kost, B.; Sonnewald, U.: Strasburger – Lehrbuch der Pflanzenwissenschaften, Springer Spektrum, 37. Auflage, 2014

[3] Schmidt, J.; et al.: Sensorische Garne durch Nutzung der Umwindetechnologie, Technische Textilien, 12.2016

Weitere Informationen:

Autoren: Marielle Stephan, Bilitis Vanicela, Christoph Riethmüller, Götz T. Gresser, Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV)

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 19275 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der IGF vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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