Technik
Licht 8 | 2019

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LEDs für das Vertical Farming

Durch die wachsende Weltbevölkerung steigt auch der Bedarf an frischen Lebensmitteln. Vor diesem Hintergrund kommt immer häufiger künstliche Beleuchtung in der Pflanzenaufzucht zum Einsatz. Für die entsprechenden Beleuchtungssysteme ist ein Markt entstanden, der Leuchtenherstellern neue Möglichkeiten für Nischen-Produkte bietet. Ausgestattet sind diese in der Regel mit speziellen Pflanzenwachstums-LEDs.

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DutchScenery / shutterstock.com

Abb. 1: Vertical Farming soll angesichts zu kleiner Landwirtschaftsflächen in Zukunft die wachsende Bevölkerung ernähren. In der Regel ist dafür künstliche Beleuchtung erforderlich.

Pflanzenzucht in Gebäuden

Um den steigenden Bedarf an Lebensmitteln bei gleichzeitigem Mangel an Anbaufläche zu decken, muss sich die Pflanzenzucht künftig auch in die Höhe entwickeln. Mittels Vertical Farming lässt sich z. B. über Regalsysteme ein deutlich höherer Ertrag auf einer wesentlich geringeren Grundfläche erzielen. Da das natürliche Sonnenlicht, vor allem bei größeren Anlagen, nicht alle Pflanzen auf jeder Ebene erreichen kann, wird künstliche Beleuchtung eingesetzt. So kann der Anbau der Pflanzen auch im Innenraum, unabhängig von der Tageszeit und Saison stattfinden. Neue Optionen eröffnet dies auch bei Begrünung zu dekorativen Zwecken. In beispielsweise Hotellobbys oder Büroräumen gedeihen Pflanzen jetzt auch in vom Tageslicht nur wenig versorgten Bereichen.

Feldversuche zum optimalen Spektralbereich

LEDs bieten durch ihre geringen Abmessungen große Freiheiten beim Design von kompakten Pflanzenleuchten. Noch wichtiger allerdings ist, dass sich mit LEDs das Lichtspektrum an die Bedürfnisse der jeweiligen Pflanze und der jeweiligen Wachstumsphase anpassen lässt, denn sowohl die Lichtmenge als auch die spektralen Lichtanteile, die bei der Pflanze ankommen, sind entscheidend.

Anhand von Feldversuchen u. a. mit Salatpflanzen konnte der LED-Hersteller Allix verdeutlichen, wie sich die einzelnen spektralen Lichtanteile auf das Wachstum von Pflanzen auswirken. Über einen Zeitraum von 21 Tagen wurden Gruppen von Jungpflanzen jeweils mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen beleuchtet. Einen maximalen Ertrag stellte man bei einer Wellenlänge von 455 nm (blau) und 660 nm (rot) fest. Dieses Ergebnis spiegelt den Zusammenhang zwischen der Lichtaufnahme der Pflanze über das Chlorophyll und den daraus resultierenden Auswirkungen auf das Wachstum wieder.

Eine LED für Rot und Blau

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 aber auch zu schnell zu groß werden, was im ungünstigsten Fall dazu führt, dass die Pflanze das Gewicht nicht mehr tragen kann. Der Blauanteil hingegen fördert das generelle Wachstum der Pflanzen, das vor allem in der frühen Phase wichtig ist. Durch die Kombination aus rotem und blauem Spektralbereich konnte man bisher die größten Erträge und die beste Gesundheit und Standfestigkeit bei den Pflanzen erzielen.

Eine LED, die genau den Blau- und Rotanteil ausstrahlt, der sich für das Pflanzenwachstum als besonders förderlich erweist, hat das Unternehmen Allix mithilfe einer speziellen Phosphorzusammensetzung entwickelt. Damit lässt sich das Spektrum mit einer einzigen LED abdecken, es werden keine einzelnen blauen und roten LEDs mehr benötigt. Das PGRB-Spektrum (Abb. 2) ist auf schnelles Wachstum und einen maximalen Ertrag hin optimiert, da es die Absorptionskurve von Chlorophyll A und B optimal abdeckt.

Abb.2: Absorptionsspektrum Chlorophyll A und B sowie Emissionsspektrum der PGRB-LED. (Quelle: Allix/euroLighting) Allix

Für ein Beleuchtungskonzept ist es empfehlenswert, die individuellen Bedürfnisse jeder Pflanzenart zu berücksichtigen – hier können die Anforderungen an die Beleuchtung variieren. Eine Tomatenpflanze hat beispielsweise einen zehnmal höheren Bedarf an Beleuchtungsstärke als eine Orchidee. Bei Frucht- und Blütenpflanzen wird für die schnelle und ertragreichere Entwicklung ein höherer roter Lichtanteil eingesetzt.

Vorbild Tageslicht

Eine weitere Möglichkeit für ein gesundes und natürliches Wachstum der Pflanzen 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 zum Beispiel das PGWH-Spektrum (Abb. 3), das neben Blau und Rot auch den Spektralanteil im Grün-Gelb-Bereich miteinbezieht.

Abb. 3: Emissionsspektrum der PGWH-LED (Quelle: Allix/euroLighting Allix

Eine besonders authentische Nachahmung des Sonnenlichtspektrums lässt sich durch den Einsatz von Vollspektrum-LEDs (Abb. 4) erzielen. Sie bieten eine breite und gleichmäßige Lichtverteilung über den gesamten sichtbaren Bereich und einen exzellenten Farbwiedergabeindex von bis zu 98. 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.

Abb. 4: Emissionsspektrum der Vollspektrum-LED mit 4.000 K (Quelle: Allix/euroLighting) Allix

Individuelle LED-Module

Um bei der Entwicklung Zeit und Ressourcen zu sparen, bietet euroLighting kundenspezifische LED-Module an, die sich individuell an die Anforderungen im jeweiligen Anwendungsbereich anpassen lassen. Entwickler können hier vom Know-how des Unternehmens profitieren und erhalten ein auf die gestellten Anforderungen abgestimmtes Produkt. Wie detailgenau das Konzept des Moduls vorgegeben wird oder ob ausschließlich einzelne Zielparameter erfüllt werden sollen, entscheidet der Kunde.

Je nach Anforderung des Systems besteht für das Entwicklungskonzept einer Pflanzenbeleuchtung 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 erhältlich. Für High-Power-COB-LEDs gibt es Baugrößen ab 13 x 13 mm bis hin zu 38 x 38mm bzw. von 4 W bis 100 W in den jeweiligen Ausführungen.

Die AC-Module von euroLighting und seinem Partner RFsemi bieten die Möglichkeit, diese direkt an den Stromkreislauf mit 230 V anzuschließen und benötigen kein Netzteil. Da dadurch eine Reihe von Bauteilen entfällt, lassen sich erheblich Platz und Ressourcen einsparen. Zudem besitzen die AC-Module im Vergleich zu herkömmlichen LED-Modulen einen hohen Leistungsfaktor PFC von 0,97. Die Lebensdauer gibt euroLighting mit über 50.000 h sowie die Spannungsfestigkeit als größer 3 KV an.

Autor: Simone Hettinger, Produktmanagerin LED euroLighting GmbH, Nagold, www.euro-lighting-gmbh.de

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Licht 8 | 2019

Erschienen am 25. Oktober 2019