Menü

Infrarot und UV in LED-Pflanzenlampen

Sind Ultraviolett- und Infrarotstrahlung sinnvoll?
Sonnenstrahlen enthalten UV-Strahlung
  • was bewirkt Infrarot?
  • was bewirkt tiefrotes Licht (Far Red)?
  • was bewirkt UV?

Immer häufiger werden Ultraviolett-LED und Infrarot-LED in Pflanzenlampen verbaut. Es stellt sich die Frage, inwiefern dies nützlich für ein gutes Zucht- und Ernteergebnis sein kann?

Da Pflanzen photosensible Lebewesen sind, ist es naheliegend, dass sie nicht nur durch den sichtbaren Teil der elektromagnetischen Strahlung (Licht) beeinflusst werden können, sondern auch durch die unsichtbaren Teile des Sonnenlichts. Es wird immer deutlicher, dass nicht einfach Teile der Sonnenstrahlung als unnütz oder sogar schädlich zu bewerten sind. Vielmehr scheint die Menge das Gift zu machen.

Unser Podcast zur Sinnhaftigkeit von Infrarot, UV und Far-Red in Pflanzenlicht

1

Infrarot ist Wärmestrahlung

Der Infrarotbereich der elektromagnetischen Strahlung schließt direkt an das rote Lichtspektrum an und deckt den Wellenlängenbereich von 780nm bis 1mm ab. Er wird unterteilt in nahes, mittleres und fernes Infrarot. Das Nahe Infrarot (NIR) von 780- 1400nm ist die kurzwelligste und damit energiereichste Infrarotstrahlung. Infrarot ist für das menschliche Auge nicht sicht-, macht sich aber als Wärmestrahlung bemerkbar.

Als Wärmestrahlung ist sie im Spektrum einer herkömmlichen Glühbirne oder auch einer Natriumdampflampe deutlich wahrnehmbar. Hier wird ein großer Teil der Eingangsenergie in Wärme, anstatt in Licht umgewandelt. Viele Grower, die mit NDL züchten, kennen das Problem mit der übermäßigen Hitze nur zu gut. Durch die genaue Bestimmbarkeit des emittierenden Spektrums bei LED, lässt sich Infrarotstrahlung schlicht ausschließen. So entsteht nur ein Minimum an Abwärme.

Kann Infrarotstrahlung dennoch einen Nutzen für die Pflanzenzucht haben?

Die Photosyntheserate einer Pflanze ist abhängig von Nährstoffzufuhr, Kohlenstoffdioxidzufuhr, Lichtintensität und Temperatur. Dabei kann eine Erhöhung der vier Faktoren zu einer Steigerung der Photosyntheserate führen. Wie bei allen enzymatischen Vorgängen steigert eine höhere Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit.

Dabei gilt die RGT-Regel: Eine Steigerung um 10° Celsius steigert die Reaktionsgeschwindigkeit um das Doppelte.

Dies gilt aber nicht unendlich. Eine zu hohe Temperatur kann die Photosynthese behindern und den Pflanzen durch Verbrennung schaden.

Die optimale Temperatur ist dabei abhängig von der Pflanzenart. C3-Pflanzen vertragen Temperaturen zwischen 10° und 20°gut, wobei höher entwickelte Pflanzen meist auch Temperaturen am oberen Ende des Kontinuums bevorzugen. C4-Pflanzen vertragen höhere Temperaturen von 30° bis 40°, da sie an das Klima südlicherer Gefilde angepasst sind. Manche C4-Pflanzen können bis zu 60° aushalten, manche C3-Pflanzen -4°.

Auch Lichtspektren produzieren Wärme

Da Pflanzenlampen meist im Indoor-Bereich zum Einsatz kommen, sind recht konstante Temperaturen zwischen 15° und 21° meist gegeben. Wärme wird aber nicht nur durch verbaute Infrarot-LED erzeugt, auch die anderen Spektren erzeugen Wärme, wenn auch weniger. Doch kann schon diese Wärme ausreichen, um bei gegebener Raumtemperatur eine Steigerung der Photosyntheserate herbeizuführen ohne dabei die Temperatur zu sehr in die Höhe zu treiben, wie es eine NDL tut.

  • Also ist für eine Erhöhung der Photosyntheserate keine extra verbaute Infrarot-LED notwendig.

photosensibel

Photosensibel bedeutet lichtempfindlich, d.h. hier, dass pflanzen auf Licht reagieren.

Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung besteht aus gekoppelter elektrischer und magnetischer Energie. Diese Energie ist in Quanten, zählbaren Teilchen, gebündelt und bewegt sich als Welle fort. Sie unterliegt damit dem Welle-Teilchen-Dualismus. Elektromagnetische Wellen verbreiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit.

Zur Elektromagnetischen Strahlung zählen Radiowelle, Infrarotstrahlung, Licht, Ultraviolettstrahlung, Röntgenstrahlung und einige mehr. Dabei ist die Einteilung mehr oder minder willkürlich nach Wellenlängen oder Frenquenzbereichen und Effekten der Strahlung im jeweiligen Bereich geschehen.

Eingangsenergie

Eingangsenergie bezeichnet hier die aus dem Stromnetz, meist über eine Steckdose in die Lampe fließende elektrische Energie in Watt.

Photoperiodismus

Photoperiode bedeutet übersetzt Lichtzeitabschnitt und meint die Abhängigkeit der Pflanze von der Länge der Hell- bzw. Dunkelperiode. Pflanzen reagieren unterschiedlich auf die Veränderung der Tageslänge. Kurztagespflanzen reagieren mit der Induktion der Blüte, wenn die Tageslänge kürzer wird. Dabei ist es bei jeder Pflanzenart verschieden, wie kurz die Lichtperiode sein muss, um einen Effekt zu erzielen. Langtagespflanzen blühen, wenn die Tageslänge einen bestimmten Wert überschreitet und tagneutrale Pflanzen sind unabhängig von der Tageslänge.

Dabei registrieren Pflanzen weniger die Tageslänge, als vielmehr die Länge der Dunkelperiode.

Phytochrom

Phytochrome sind Proteine und als Photorezeptoren wirksam. Sie reagieren empfindlich auf das Verhältnis von hell- und tiefrotem Licht und steuern so verschiedene Vorgänge in der Pflanze, wie Keimung, Blütenbildung und einiges mehr. Neben Pflanzen kommen sie in Algen, Bakterien und Pilzen vor.

Cryptochrom

Das Wort Cryptochrom leitet sich von griech. κρυπτός, kryptós – verborgen und χρωμα, chróma – Farbe ab. Es bezeichnet einen Photorezeptor, der auf blaues Licht reagiert.

Phototropismus

Das Wort Phototropismus leitet sich von griech. τροπός, trope– Wendung und φωτός, photos – Licht (Gen.) ab. Es bezeichnet die Ausrichtung des Pflanzenwuchses am Licht.

Die geschieht durch die Aufnahme von Lichtreizen durch Photorezeptoren, den Phototropinen. Diese haben ihren Wahrnehmungsbereich im blau-violetten Spektralbereich.

2

Far-Red alias Tiefrot steigert die Photosynthese

Problematisch ist leider oft die Deklaration des Spektrums der LED-Pflanzenlampen.

Mit Infrarot ist oft Tiefrot gemeint, dass sich im Wellenlängenbereich von 710 bis 850nm befindet und somit eigentlich noch keine Infrarotstrahlung ist.

Wie an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf gezeigt, kann tiefrotes Licht eine frühere Blüte herbeiführen und so die Kulturzeit verkürzen. Dies könnte durch den Einfluss des tiefroten Lichts auf den Photoperiodismus einer Pflanze verursacht sein. Damit ist ihr Tages-Nacht-Zyklus gemeint. Bei Sonnenauf- und untergang kommt es natürlicherweise zu einem höheren Anteil von Tiefrot am roten Lichtspektrum. Dies aktiviert das Phytochrom pfr und wandelt es in pr um. So “bemerkt” die Pflanze, dass nun “Ruhezeit” ist und regenerative Prozesse, sowie die Blüte werden angekurbelt. Morgens steigt der tiefrote Anteil am Licht und das Phytochrom pr wird wieder in pfr umgewandelt und die Pflanze nimmt das Wachstum auf. Ganz geklärt ist die Wirkungsweise des tiefroten Lichtes allerdings noch nicht.

Der Emerson-Effekt

Des Weiteren zeigte Robert Emerson, dass eine Bestrahlung mit einer Wellenlänge über 680nm (Far-Red) zusammen mit Licht von Wellenlängen <680nm, eine schnellere Photosyntheserate hervorruft, als die Belichtung mit nur einer Wellenlänge. Warum es zu diesem Emerson-Effekt genannten Resultat kommt, ist auch hier noch nicht abschließend geklärt. Es liegt wohl am Vorhandensein zweier Photosysteme, die auf unterschiedliche Wellenlängen reagieren und voneinander abhängig arbeiten, d.h. sie sind nur voll ausgelastet, wenn beide Wellenlängenbereiche vertreten sind. Diese zwei Photosysteme sind die Systeme der Lichtreaktion der Photosynthese.

Elektromagnetisches Spektrum

Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums
By Horst Frank, via Wikimedia Commons

3

Ultraviolettstrahlung als Abhärtungsprogramm

Die UV-Strahlung schließt sich im kurzwelligen Bereich an das violette Lichtspektrum an und umfasst die Wellenlängen von 100nm bis 380nm. Ultraviolettstrahlung wird in UV-A, UV-B und UV-C eingeteilt.

UV-C ist das kurzwelligste der drei und dringt natürlicherweise nicht durch die Erdatmosphäre. Wichtig sind hier also UV-A 315 bis 380 nm und -B 280 bis 315nm. Jede Ultraviolettstrahlung ist in hohen Dosen für Pflanzen schädlich und kann zum Absterben derselben führen.

Doch scheinen geringe Dosen UV dafür zu sorgen, dass das Immunsystem der Pflanzen aufstockt, sie wird resistenter gegenüber Krankheiten. Es wird durch geringen UV-Stress angeregt, u.a. Phenole und Flavonoide zu bilden, welche die Pflanze vor UV-Schäden schützen. Phenole sorgen als Aromastoffe außerdem für eine schmackhaftere Ernte. Jedoch büßen die mit UV bestrahlten Pflanzen an Blattvolumen, Trockenmasse und Wuchshöhe ein. Dies lässt sich damit erklären, dass der Synthese von Aminosäuren und Phenolen vermehrt Energie zukommt und somit weniger für das Wachstum zur Verfügung steht. Diese Effekte werden v.a. durch UV-B Wellen hervorgerufen.

Pflanzen nehmen UV-Strahlung durch den UV-B-Rezeptor UVR8 wahr. Mithilfe von Cryptochromen und Phototropinen kann auch UV-A Licht wahrgenommen werden. Für die spezifische Reaktion der Pflanze auf UV-Strahlung ist aber UVR8 verantwortlich.

pro-emit sunflowPRO
pro-emit sunflowPRO
4

Quellen:

Informationen zu Infrarot allgemein bei Welt der Physik.

Der Artikel im ledsmagazine über die US Horticultural Lighting Conference fasst Beiträge zusammen, u.a. Erkenntnisse zu UV Licht in LED-Pflanzenlampen.

Zu den Versuchen und Ergebnissen mit Tiefrot findet sich ein Artikel auf der Homepage der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf.