Beleuchtung im Gartenbau ist kein neues Konzept; doch LED bringt einen grundlegenden Wandel in die Branche, da Anbauer unterschiedliche Spektralintensitäten auf eine Weise anpassen und feinjustieren können, die mit früheren Technologien undenkbar war.
Doch während sich die Technologie weiterentwickelt: Führen die Messgrößen, mit denen Produkte präsentiert und verglichen werden, Anbauer tatsächlich in die richtige Richtung?
Gartenbaubeleuchtung ist eine schnell wachsende Branche; einige Experten prognostizieren, dass der Markt bis 2023 auf 4,85 Mrd. £ anwachsen wird. Beleuchtungs-Großprojekte laufen sowohl im Inland als auch in internationalen Märkten, insbesondere das Lyudinovo-Gewächshausprojekt in Russland, das bei Fertigstellung rund 240.000 Lichtvorrichtungen umfassen wird.
LED-Beleuchtung hat in Projekten jeder Größe nachweislich folgende Wirkungen:
- Ertragssteigerung;
- verbesserte Kulturstabilität und Umweltresistenz;
- besser planbare Wachstumszeiträume;
- Energieeinsparung; und
- Kostensenkung
Auch qualitative Vorteile wurden beobachtet, wie stärkere Farbpigmentierung und Geschmacksveränderungen. Fortschritte in der LED-Technologie ermöglichen eine noch präzisere spektrale Steuerung und eine stetig wachsende Effizienz, wodurch der Abstand zwischen LED und früheren Technologien weiter zunimmt.
Wie wird Pflanzenbeleuchtung heute gemessen?
Pflanzen nutzen Licht in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums für die Photosynthese: die Photosynthetisch Aktive Strahlung (PAR). PAR umfasst Lichtwellenlängen im sichtbaren Bereich zwischen 400 nm und 700 nm, und dies bildet die Grundlage unserer Messungen.
Das wichtigste Maß für den Lichtoutput und der De-facto-Industriestandard ist der Photosynthetische Photonenfluss (PPF), der schlicht die Menge an PAR in Photonen pro Sekunde ausdrückt.
Das dritte zentrale Maß, das heute verwendet wird, ist die Photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD): die Anzahl der PAR-Photonen, die pro Sekunde auf einen Quadratmeter fallen. Diese Konzepte lassen sich von einem Beleuchtungsingenieur recht einfach mit dem eigenen Wissensstand verknüpfen:
- PAR entspricht in etwa dem sichtbaren Lichtanteil des elektromagnetischen Spektrums
- PPF ist mit der Strahlungsleistung verknüpft (zwischen 400 nm und 700 nm)
- PPFD entspricht in etwa der Beleuchtungsstärke, jedoch ohne die V(λ)-Bewertung
PAR definiert das Licht, das uns interessiert, PPF ist die Menge dieses Lichts, die die Lichtquelle verlässt, und PPFD ist die Menge dieses Lichts pro Quadratmeter Anbaufläche.
Warum sollten wir PPF als Messgröße mit Vorsicht betrachten?
Obwohl PPF als Maßeinheit durchaus Stärken besitzt, da es einfach zu verstehen, leicht zu messen und weit verbreitet ist, hat es dennoch Einschränkungen:
Nur die Lichtmenge wird gemessen, nicht der Typ oder die Qualität
Es wird zunehmend deutlich, dass die Lichtqualität ein wichtiger Faktor beim Anbau jeder Kultur ist, während die Menge nur einen Teil des Gesamtbilds darstellt. Absorptionsraten, photosynthetische Reaktion und nicht-photosynthetische Reaktionen werden dabei möglicherweise nicht berücksichtigt.
Während die Branche sich auf PPF pro Watt konzentriert, sind wir der Ansicht, dass dies Wachstumsraten eher beeinträchtigen als fördern kann.
Planer, die PPF/W als Auswahlkriterium nutzen, beeinflussen die Entwicklung neuer Leuchten insofern, als sie Hersteller dazu drängen, mehr Rotanteile einzusetzen, da ein rotes Photon mit weniger Energie erzeugt werden kann als ein blaues.
Es ist weitgehend anerkannt, dass eine rein rote Lichtquelle trotz hohem PPF/W sehr schlechtes Wachstum erzeugen würde; dies zeigt, dass die PPF/W-Kennzahl zur Bewertung der Produktleistung nicht ausreicht und die Auswahl eines besser geeigneten Produkts erschwert.
Wenn PPF als Hauptkennzahl für den Output einer Einheit verwendet wird, wird der tatsächliche Nutzen der Lichtquelle verzerrt dargestellt. Indem die echten Bedürfnisse der Pflanzen ignoriert werden, kann eine LED-Einheit als hocheffizient erscheinen, während sie im Vergleich zu einer maßgeschneiderten Lösung tatsächlich weniger echtes Wachstum liefert.
Ein Vergleich mit der Ernährung
Die Schwäche von PPF, die Lichtqualität nicht zu berücksichtigen, entspricht der Schwäche von Kalorien, die keine Aussage über eine gesunde Ernährung erlauben. Wenn zwei Personen jeweils 2.000 Kalorien zu sich nehmen, haben beide laut kalorischem Gehalt dieselbe Energiemenge aufgenommen.
Wenn jedoch eine Person 2.000 Kalorien aus einer ausgewogenen Ernährung bezieht und die andere ausschließlich aus einem einzigen Lebensmittel (zum Beispiel Butter), wären Nährwert, Fähigkeit zur Energiegewinnung und die daraus resultierende Gesundheit völlig unterschiedlich.
Beide Ernährungsweisen als gleichwertig zu betrachten, wäre offensichtlich falsch und irreführend; genau das passiert jedoch, wenn bei der Auswahl von Beleuchtungsvorrichtungen der Fokus auf der PPF-Kennzahl liegt.
Eine bessere Messgröße finden
Es gibt weitere Messgrößen für Anbauer, die die photosynthetische Empfindlichkeit einer Pflanze besser abbilden.
Yield Photon Flux (YPF) ist eine solche Messgröße
YPF ist ein gewichtetes System, das den Wert einer bestimmten Lichtwellenlänge gegenüber der photosynthetischen Reaktion der Kultur bewertet. Während bei PPF alle Photonen gleichwertig sind, berücksichtigt YPF die relative photosynthetische Effizienz verschiedener Wellenlängen und gewichtet weniger nützliches Licht entsprechend geringer.
Das Konzept der S/P-Verhältnisse gibt Einblick in die Nützlichkeit einer Lichtquelle unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen, ebenfalls nach dem Gewichtungsprinzip. Das menschliche Auge hat zwei Reaktionskurven: eine für das photopische Sehen (V(λ)), also das Tagsehen, und eine für das skotopische Sehen (V'(λ)), also das Nachtsehen. S/P-Verhältnisse gewichten die Reaktion auf diese unterschiedlichen Lichtarten, um die Eignung einer Quelle für verschiedene Anwendungen zu bestimmen.
Ein Produkt, das unter photopischen Bedingungen gute Beleuchtungsniveaus liefert, muss dies unter skotopischen Bedingungen nicht tun, und umgekehrt. Ebenso kann ein Produkt eine gute PPF-Reaktion, aber eine schlechte YPF-Reaktion aufweisen, da die Reaktionskurven beider Größen voneinander abweichen.
Während PPF Photonen innerhalb von PAR misst (Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm), betrachtet YPF einen breiteren Bereich und berücksichtigt Quellemissionen bis hinunter zu 360 nm (Tiefblau) und bis hinauf zu 760 nm (Dunkelrot). Diese zusätzlichen Wellenlängen umfassen Licht, das nachweisliche Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum hat; Wellenlängen jenseits von 700 nm können in geringen Mengen eingesetzt werden, um größere Pflanzen zu fördern und Dämmerungsbedingungen zu simulieren, die zirkadiane Rhythmen setzen, wobei bei einigen Pflanzen wünschenswerte Eigenschaften beobachtet wurden.
Eine Pflanze im Schatten erhält in der freien Natur mehr Dunkelrotlicht und reagiert auf diesen Reiz. Bestimmte Pflanzen, die natürlich unter dem Blätterdach wachsen, erwarten ein überdurchschnittliches Dunkelrot-zu-Rot-Verhältnis und reagieren negativ auf ein Spektrum, das nicht genügend Dunkelrotlicht enthält.
Manche Shade-Avoidance-Syndrome-Reaktionen sind für Anbauer erwünscht; in höheren Mengen kann Licht jenseits von 700 nm gezielt eingesetzt werden, um das Shade-Avoidance-Syndrome einzuleiten, was bei einigen Pflanzen schnelle Blütenbildung und kompakteres Wachstum fördert und dabei möglicherweise die Robustheit verbessert.
PPF erfasst diese Feinheiten pflanzlicher Reaktionen nicht, da es nur Licht innerhalb von PAR berücksichtigt und allein kein vollständiges Bild liefert. Die Photomorphogenese, also die übergeordneten Prozesse zur Steuerung der Pflanzenentwicklung, wird von Wellenlängen zwischen 300 nm und 800 nm beeinflusst (dargestellt durch die McCree-Kurve); YPF erfasst davon mehr.
Ein umfassender Ansatz
YPF kann natürlich nicht isoliert betrachtet werden. YPF ist eine geeignete Hauptkennzahl für eine Leistungsannäherung oder zur groben Bestimmung des richtigen Produkts und Outputs für einen angestrebten täglichen Lichtintegralwert. PPF wird als Hauptkennzahl verwendet, berücksichtigt jedoch nicht, dass unterschiedliche Wellenlängen einen größeren Einfluss auf das Wachstum haben könnten.
Monochrome LEDs verschieben diese Messgröße weiter; viele blaue und rote Chips zielen auf einen spezifischen, engen Wellenlängenbereich ab. Obwohl dies einen hohen PPF liefern kann, kann es die Beleuchtungslösung beeinträchtigen, da jede unterschiedliche Degradation zwischen den Quellen das resultierende Spektrum im Laufe der Zeit verändert.
Dieses Risiko lässt sich mit Breitspektrum-LEDs mit Phosphor reduzieren, da die Degradation der LED ausschließlich durch den blauen Die-Emitter bestimmt wird. Breitspektrum-Leuchten schließen wichtig die Lücken zwischen dem blauen und dem roten Teil des Spektrums und liefern so eine bessere Annäherung an natürliches Sonnenlicht. Sonnenlicht enthält ein breites Wellenlängenspektrum, das wahrscheinlich vielfältige Funktionen erfüllt, die wir noch nicht vollständig verstehen.
YPF hat Schwächen, da die ursprüngliche Messgröße auf Messungen einzelner Blattsegmente unter kontrollierten Bedingungen basiert. Im praktischen Einsatz kann Licht, das durch ein Blatt dringt, noch Vorteile für tiefer liegende Pflanzenteile haben; die alleinige Betrachtung eines Blattsegments ignoriert daher das durchtretende Licht.
Dies ist jedoch besser als gar keine Berücksichtigung. Indem die Unterschiede zwischen Wellenlängen ignoriert werden, weist PPF eine frustrierende Eigenschaft für eine empirische Messgröße auf: Ein höherer PPF bedeutet nicht zwangsläufig ein besseres Beleuchtungsprodukt.
Die Zusammenarbeit zwischen Kunde und LED-Beleuchtungshersteller ist entscheidend
Ein Großteil der Verantwortung liegt bei den Planern, die zu Beginn eines Projekts Forschungs- und Planungsarbeit leisten müssen, um den gewünschten Lichteffekt auf das Endprodukt zu bestimmen. Sorgfalt ist entscheidend; Pflanzentyp und angestrebte Reaktion müssen bei der Wahl einer Beleuchtungslösung berücksichtigt werden. Ein vielseitiger Hersteller sollte bereit sein, mit Anbauern zusammenzuarbeiten, um Spektren zu entwickeln, die auf ihre Kulturen und ihre gewünschten Ergebnisse abgestimmt sind.
Beim Produktvergleich ist YPF ein besserer Ausgangspunkt als PPF, aber der Output sollte ein Aspekt innerhalb eines umfassenden Ansatzes sein, der eine Reihe von Faktoren berücksichtigt: Breit- vs. Schmalspektrum, Photoperiode, qualitative Vorteile wie Geschmack oder Farbe sowie Wellenlängen außerhalb von PAR.
Es gibt noch vieles, was über pflanzliche Reaktionen und die optimale spektrale Zusammensetzung für verschiedene Kulturen und gewünschte Ergebnisse unbekannt ist. Die Lücke zwischen Produktprospekt und optimalem Spektrum durch gemeinsame Anstrengungen von Lieferant und Kunde zu schließen ist das Ziel; die richtige Messgröße bringt Planer dem idealen Produkt für ihre Anforderungen näher.
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Artikel verfasst von Toby Penter, Business Development bei INDO
Quellen:
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‚Far-Red Lighting and the Phytochromes‘. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‚BASIC PHOTOMORPHOGENESIS‘. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Available online: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
