Grundlagen der Pflanzenbeleuchtung

In der Regel gedeihen Pflanzen sehr gut unter natürlichem Sonnenlicht. Dieses ist jedoch oftmals nicht immer in ausreichender Menge verfügbar. Neben dem traditionellen Anbau in Gewächshäusern werden flexible, zielgerichtete Anpassungsoptionen für Beleuchtungssysteme noch relevanter, wenn es um aktuelle Trends wie Urban Gardening, Vertical Farming, 3D- oder Indoor-Farming geht. Die zum Teil neuen Anbaukonzepte werden den Markt in Zukunft beeinflussen. Dabei spielen LED-Beleuchtungssysteme eine zentrale Rolle. Denn bei der für das Wachstum einer Pflanze so notwendigen Photosynthese und Photomorphogenese kann eine zusätzliche künstliche Beleuchtung den Ernteertrag steigern.

Damit Pflanzen wachsen können, benötigen sie Energie. Diese erzeugen sie mithilfe der Photosynthese, indem sie Licht, Wasser und CO² absorbieren und zu Sauerstoff und Zucker verarbeiten.

Um Photosynthese betreiben zu können, benötigt die Pflanze sowohl violett-blaues (400-490nm) als auch orange-rotes (640-730nm) Licht. Das Licht in einem Spektralbereich von 400-700nm wird auch PAR Strahlung (Photosynthetically Active Radiation) genannt. Allerdings wirkt sich nicht jede Wellenlänge im PAR-Spektrum gleich stark auf die Photosynthese einer Pflanze aus. Die Effizienz der jeweiligen Wellenlänge wird anhand der McCree Kurve dargestellt.

Die Spitzen liegen im orange-roten und violett-blauen Spektralbereich. Im Bereich Grün und Gelb liegt ein Minimum, aber nicht, wie lange angenommen, eine Nullstelle. Dieses Minimum hat zu dem Missverständnis geführt, dass grünes Licht für Pflanzen nicht wichtig bzw. unbrauchbar ist. Dabei zeigt die Kurve, dass die Fotosynthese im grünen Spektralbereich zwar weniger stark verläuft, aber sicher nicht auf 0 abfällt. Da die Kurve anhand von Messungen an einzelnen Blättern erstellt wurde, ist nicht die Reaktion der ganzen Pflanze auf grünes Licht betrachtet worden.  Für eine ganze Pflanze ist bei grünem Licht kaum ein Tal in der Photosynthese-Rate festzustellen. Das erklärt sich wie folgt: Der grüne Anteil des Lichts, das auf das erste Blatt fällt, wird nur teilweise genutzt. Der nicht genutzte Teil fällt durch das Blatt hindurch und wird von jedem darunter liegenden Blatt ebenfalls wieder teilweise genutzt. Insgesamt ist der genutzte Anteil also durchaus hoch. Daher sollte grünes Licht im Bereich Hortikultur keineswegs vernachlässigt werden.

Für die Steuerung des Wachstums, die sogenannte  Photomorphogenese, benötigen Pflanzen spezielle Wellenlängen, die im natürlichen Verlauf des Tageslichts vorkommen. Hauptsächlich werden das Längenwachstum und die Blütenbildung durch das Zusammenspiel von rotem Licht (660nm) und dunkel roten Licht (730nm) gesteuert.

Bei niedrigem Sonnenstand, beim Sonnenuntergang, steigt der Anteil von dunkelrotem Licht und verändert das Rot/Dunkelrot Verhältnis. Dabei stellt die Pflanze ihre Photosynthese auf den nächtlichen Ruhemodus um. Ähnliches passiert bei der Beschattung von Pflanzen. Im Allgemeinen reagieren die Pflanzen darauf mit stärkerem Längenwachstum (Schattenflucht), weniger Seitentrieben und beschleunigter Blüte.

Diesen Effekt kann man nutzen, um die nächtliche Erholung der Pflanze durch eine künstliche Dämmerung zu beschleunigen. Normalerweise benötigt eine Pflanze ca. 1-2 Stunden, um ihren Stoffwechsel und ihre Hormonproduktion auf den Nachtmodus umzustellen. Mit einer 730nm Stimulation benötigt eine Pflanze nur 10-15 Minuten. Mit einer künstlichen LED-Beleuchtung kann somit der Tag-Nacht-Rhythmus der Pflanzen optimiert werden. Der Tag kann künstlich verlängert werden, wenn die Pflanze danach schnell in den Schlafmodus versetzt wird. Auch eine schnellere Blütenbildung wird durch diesen Effekt erreicht.

Eine professionelle LED-Beleuchtung verkürzt auch die Zeit bis zum Blütebeginn und ebenfalls die nötige Blütedauer, da der dunkelrote Lichtanteil auch bei der Stimulation der Blütenbildung von Kurz- und Langtagpflanzen eine wichtige Rolle spielt. Bei Langtagpflanzen stimuliert normal rotes Licht (660nm) die Blütenbildung und verhindert diese bei Kurztagpflanzen, z.B. bei Pointsettien. Dunkelrotes Licht (730nm) hat hier die genau gegensätzliche Wirkung.

Deckt die vorhandene Lichtmenge nicht den Bedarf der Pflanze, so versucht diese diesen Mangel durch Höhenwachstum auszugleichen, um an mehr Licht heranzukommen. Somit kann man das Wachstum der Pflanze mittels Lichtmenge und Wellenlänge beeinflussen. Je nach Bedarf wachsen die Pflanzen höher oder kompakter und produzieren damit höhere Erträge.

Eine wichtige Kenngröße des Lichtes für Pflanzenwachstum ist die Photosynthetische Photonenflussdichte, PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) in µmol/m²/s. Mit diesem Wert wird die Anzahl von wachstumsrelevanten Photonen, welche die Pflanze tatsächlich erreichen, gemessen. Diese Micromoles werden auf den Quadratmeter pro Sekunde hochgerechnet. Hierbei ist der Abstand der Leuchte zur Pflanze mit anzugeben. Diese Einheit ist vergleichbar mit der Angabe der Beleuchtungsstärke in Lux im Bereich des weißen Lichts.

Die Photonenflussdichte alleine zu betrachten wäre falsch, da auch der Abstrahlwinkel bzw. die Streuung des Lichtes und damit die Verteilung der Photonen über eine bestimmte Fläche eine entscheidende Rolle spielt. Für eine gleichmäßige und großflächige Streuung des Lichtes werden üblicherweise im Verbund geschaltete Horticulture-LED-Beleuchtungen in Leistenform genutzt. Quadratische Beleuchtungssysteme erzielen hingegen eher eine größere Tiefenwirkung und eignen sich damit besser für hochwachsende Pflanzen und kleinere Flächen. Auskunft über die Photonenflussdichte und Lichtstreuung geben meist die im Datenblatt mit angegebenen PPFD-Plots.

Auch wenn die Kenngröße PPFD nichts über das eigentliche Lichtspektrum und der damit verbundenen Grow-Applikation aussagt, bietet sie dennoch einen zusätzlichen Punkt, um unterschiedliche Lichtquellen objektiv bewerten und vergleichen zu können. Nachteilig ist allerdings, dass nicht alle Hersteller Ihre PPF-Werte preisgeben und diese kaum selbst nachmessbar sind.

Pflanzen können nicht unbegrenzt viel Licht aufnehmen. Jede Pflanze hat einen Lichtsättigungspunkt (LSP). Ab diesem Punkt kann die Photosyntheseleistung einer Pflanze durch Erhöhung der Lichtintensität nicht mehr gesteigert werden. Wird die Lichtintensität über den LSP hinaus erhöht, kann der Photosyntheseapparat geschädigt werden, womit sich die Photosyntheseleistung verringert oder die Pflanze stirbt.

Grundsätzlich lassen sich Pflanzen in 3 Kategorien unterteilen: Schattenpflanzen (niedriger LSP), Sonnenpflanzen (hoher LSP) und C4-Pflanzen (sehr hoher LSP). Eine durchschnittliche Belichtung mit 300-400 μmol/m²s wäre zum Beispiel für die meisten blühenden und fruchttragenden Pflanzen erstrebenswert.

Photosynthese und Photomorphogenese sind zwei wichtige Prozesse beim Pflanzenanbau. Professionelle LED-Beleuchtungssysteme können diese Prozesse optimieren und bieten darüber hinaus zahlreiche Vorteile: speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Pflanzen abgestimmte Wellenlängen, flexible Steuerung sowie ein geringer Energieverbrauch, eine geringer Wärmeentwicklung und eine lange Lebensdauer. So lässt sich die Beleuchtung individuell auf jede Obst-, Gemüse oder Blumenart anpassen und die Leuchten können in unmittelbarer Nähe zu den Pflanzen platziert werden, ohne dass diese Schaden nehmen. Für Pflanzen bedeutet das zusätzliche LED-Licht gesünderes Wachstum sowie eine schnellere Blütenbildung. Dank der Flexibilität hinsichtlich der Steuerung des Lichts ist eine Rundum-Beleuchtung der Pflanzen möglich. So verbrauchen die Pflanzen keine Energie, um sich nach der Sonne auszurichten und wachsen schneller.