Pflanzenwachstum unter LED-Licht

    Hallo Cossart,
    hatte ein paar Tage keine Zeit, aber mir jetzt den Artikel (Green light drives..) zum dritten Mal vorgenommen.
    Abgesehen davon, dass das "japanische Englisch" schon ne harte Nuss darstellt und ich nicht ausschließen kann (bzw. sicher bin) immer noch einiges nicht voll verstanden zu haben, glaube ich, dass wir ein wenig aneinander vorbei geredet haben.
    Folgende wichtige Punkte hab ich aus dem Artikel herausgelesen und du kannst mich gerne korrigieren, aber ggf. interessiert das hier auch andere.


    Neben dem oft postulierten Absorptionsspektrum von Chlorophyll spielen andere Effekte eine wichtige Rolle.


    - der Sieve-Effekt beschreibt die Nivellierung des Absorptionsgrades im realen Blatt durch die real niedrigere Pigmentkonzentration, d.h. bei Wellenlängen mit hohem Absorptionsgrad sinkt dieser bei (Pigment-)Verdünnung deutlich stärker ab als bei Wellenlängen mit niedrigem Absorptionsgrad


    - der Detour-Effekt beschreibt eine nochmalige Annäherung der Absorption durch die Verlängerung des Weges des Lichtes im Blatt durch Diffusion (Blattdicke entscheidend)


    - grünes Licht dringt tiefer ins Blatt ein als rotes Licht


    - Licht, dass die Blattunterseite bestrahlt treibt die Photosynthese auch sehr gut an, allerdings ist die Sättigung schneller erreicht


    Anhand von Sonnenblumenblättern wurde gezeigt, dass der Zusatz von grünem bzw. rotem Licht zu vorhandenem Weißlicht eine unterschiedliche Erhöhung der Photosyntheseleistung bewirkt.
    Bei schwachem Weißlicht wirkt zusätzliches Rotlicht besser, bei starkem Weißlicht bringt grünes Licht mehr. Auf der Blattunterseite ist dieser Effekt verschärft ausgeprägt.
    Bei starkem Weißlicht geht ein Teil des Rotlichts an den obersten Chloroplasten als Wärme verloren während grünes Licht die Photosynthese in tieferen Schichten antreibt.


    Evtl. hab ich mich letztens schlecht ausgedrückt, aber der Sinn bleibt mMn der gleiche.
    Bevor du nun aber schreibst ich hätte nix verstanden verbessere bitte mein Geschwafel.



    Du:

    Zitat von Cossart

    Mir ist es auch egal, wie du den Begriff "Wirkspektrum" auslegst. Die von mit gezeigten Diagramme sind echte Wirkspektren der Photosynthese.

    Lieber wäre mir gewesen du hättest es mir erklärt und wärest auf meine Zitate eingegangen.


    Meine Vermutung ist, dass beide, das Absorptionsspektrum wie das Wirkspektrum nicht die reale Photosyntheserate am Blatt/Wellenlänge des Lichts darstellen.
    Solange das -
    Quantum Yield




    [Blockierte Grafik: http://5e.plantphys.net/images/ch07/wt0703a.png]


    ist, zeigt es doch (und ich bin in Mathe ne Null), dass ein Wirkspektrum, dass durch diese Gleichung definiert wird nur die Wirkung von absorbierten Photonen misst und nicht die von reflektierten bzw diffundierten.
    Wenn also an der vertikalen Achse "Relative Quantenausbeute" steht bzw "relative quantum efficency" ist der Absorptionsgrad außen vor und grünes Licht z.B. ist unabhängig von Absorptiongrad sehr stark im antreiben der Photosynthese.
    Bei absoluten Achsenwerten dürfte das Diagramm dann wieder anders aussehen (meine Vermutung: irgendwo zwischen Absortionsspektrum und relativem Wirkspektrum, je nach Pflanzenart).
    Folgendes Diagramm z.B. aus obigem Artikel dürfte die absolute Leistung pro Strahlungseinheit darstellen.
    Viele Grüße


    [Blockierte Grafik: http://pcp.oxfordjournals.org/content/50/4/684/F11.medium.gif]

    Zitat von nähmaschine

    Wenn also an der vertikalen Achse "Relative Quantenausbeute" steht ...[/img]


    Nochmal: Bei dem zweiteiligen Artikel von Tazawa ("Effects of Various Radiant Sources on Plant Growth...") steht dort aber: "Relative value for incident energy". Es sind daher echte Wirkspektren, die man für eine Bewertung des Spektrums ebenso verwenden kann wie die Augenempfindlichkeitskurve für photometrische Größen (siehe auch da). Folgerichtig tut das Tazawa auch genau das im zweiten Teil seines Artikels.


    Die Arbeiten von Elgersma/McCree habe ich nicht vorliegen, deshalb verwende ich deren Wirkspektrum für meine Bewertung auch nicht. Hier habe ich das noch etwas ausführlicher dargestellt. Ich mache dort genau das, was Tazawa auch tut. Philips hat das übrigens auch schon mal vorgeschlagen und für das Ergebnis, das man bei dieser Bewertung erhält, den Begriff "Phyto-Lumen" vorgeschlagen. Ist irgendwie auch folgerichtig.


    Ich weiß nicht, warum du dich daran so festbeißt, es seien keine echten Wirkspektren, mittels derer man die Photosyntheseefizienz verschiedener Lichtquellen evaluieren könne. Im Gegenteil schlägt das Tazawa genau so vor, auch Philips und zu guter Letzt die DIN 5031-10. Deren Entwurfsfassung vom Juni 2011 ist eh hoch interessant, die knapp 170 Euro, die sie kostet, gut angelegt.


    Aber das solls von mir auch zu diesem Thema gewesen sein. Du hast deine Auffassung, ich hab meine. Das einzige, was ich noch mache, ich bin da schon seit einiger Zeit dran: Ich versuche an die Originalartikel von Elgersma und/oder McCree zu kommen.


    Nachtrag (ganz kann ich's doch nicht lassen):


    Inzwischen habe ich die Abstracts zu diesen Artikel gelesen:

    • Mccree, K.J. 1972a. The action spectrum, absorbance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agric. Meteorol. 9:191-216.
    • Mccree, K.J. 1972b. Test of current definitions of photosynthetically active radiation against leaf photosynthesis data. Agric. Meteorol. 10:443-453.


    So wie das, was McCree selber über seine Arbeit schreibt.


    Ich nach wie vor überzeugt davon, daß meine Auffassung des "Wirkspektrums der Photosynthese" die richtige(re) ist.

    Oha, verbissen wollte ich nun gar nicht wirken, sehe aber ein, dass das so aussehen mag.
    Mich hatten, unter anderem, die unterschiedlichen Achsenbezeichnungen der Wirkspektren irritiert. Tazawa scheint da aber, wie du schon sagst, eindeutig zu sein.
    Außerdem ist es eben relevant, wenn man die effizientesten Lichtquellen für Pflanzenbestrahlung definieren möchte. Du schreibst ja auch:
    "Bei "grünen" Photonen kullern nur etwa 40 bis 50 % soviel Elektronen aus der Lichtsammelfalle wie bei "roten" Photonen."
    Wenn wir Menschen Energie sparen wollen müssen wir früher oder später für alle Pflanzen, die wir unter Kunstlicht anbauen möchten, die realen Wirkspektren ermitteln.


    Nichts für ungut Cossart, danke nochmal für deine Geduld! Jetzt vertiefe ich mich in deine Links.
    Viele Grüße

    Zitat von nähmaschine

    Hi Burli,
    Da die Südkoreaner bei Galileo ja auch Salat anbauen könntest du ja mal deren (vermutliche) LED-Kombination testen.
    Sieht ungefähr wie 1:2:5 aus (Blau : KW : Rot) aus.


    p.s. danke für den Hinweis auf die Sendung


    Das Verhältnis ist 1:1:2. Eine LED Reihe besteht aus 30 LEDs bei allen drei Farben und eine Gruppe besteht immer aus rot, blau, weiß, rot und ein Modul besteht aus 6 solcher Gruppen. Der Rest ist schwierig zu beurteilen. In dem Tageslicht Turm schätze ich das Verhältnis etwa auf 1:2, an manchen anderen Stellen könnte es bis 1:5 gehen. Ist schwer zu sehen, weil die Kamera damit nicht klar kommt.


    Was schätzt ihr, sind das 3W LEDs?


    Ansonsten sieht man auch viel weiß, dann sind das aber meist Leuchtstoffröhren. Ich nehme an, die wollen da einen Vergleich haben. Im "Endstadium" sieht man jedenfalls überwiegend rot/blau mit viel Rotanteil.

    @ burli
    Ja, sind erstaunlich viele weiße LEDs zu sehen. Leider hab ich auf der Website der Südkoreaner nicht viel zu ihrem Projekt gefunden.



    @ Cossart
    Hab jetzt erst im anderen Forum, in dem du auch schreibst, die ältere Diskussion zum gleichen Thema gefunden. Sehr erhellend.
    Jetzt verstehe ich die niedrige Effizienz des blauen Lichtes beim Tazawa Wirkspektrum. Stichwort Singulettzustände.


    Andererseits könnte man sich einen Teil der teuren und weniger effizienten tiefroten LEDs mit 660nm sparen und einfach einige normal-rote mit 625nm nehmen, da deren Wirkung auf die Photosynthese ja nicht schlechter ausfällt.
    Was denkst du, um den Emerson Effekt auszunützen, reichen da einige warm-weiße LEDs zusätzlich? Genau 700nm hab ich hier in den Shops z.b. noch nicht gefunden.
    Der Red-Drop beim Tarzawa (und anderen) Wirkspektrum ist dann ohne den Emerson-Effekt gerechnet? Oder ist der drin und ohne 700nm würde die Rotlichtwirkung deutlich ineffektiver sein?

    Zitat von nähmaschine

    @ burli
    Ja, sind erstaunlich viele weiße LEDs zu sehen. Leider hab ich auf der Website der Südkoreaner nicht viel zu ihrem Projekt gefunden.


    Nach den Bildern würde ich sagen, dass es kaltweiße LEDs sind. Eventuell verwenden sie sie aus zwei Gründen: zum einen kann man mit der richtigen LED das blaue Spektrum etwas nach unten strecken. Die normalen royalblauen LEDs haben 450nm, die Cree XB-D, die ich verwende, hat ihren Peak bei 440nm. Und man fügt natürlich noch grünes Licht dazu. Eventuell auch ein Grund.


    Möglicherweise haben die weißen LEDs auch einen ganz anderen Grund: einfach damit die Menschen den Zustand der Pflanzen beurteilen können.


    In vielen Bereichen stammt das weiße Licht aber nicht von LEDs sondern von Röhren. Ich nehme an, dass die entweder Röhren und LEDs vergleichen wollen oder damit experimentieren, den Pflanzen in verschiedenen Wachstumsphasen unterschiedliches Licht anzubieten. Kann ja sein, dass Röhren in den frühen Wachstumsphasen besser geeignet sind und in den späteren dann rote und blaue LEDs.


    Ich bin jedenfalls auf meinen nächsten Versuch gespannt. Weiße LEDs vs. rot/blau vs. Tageslicht vs. (eventuell) eine ESL mit 6500K Farbtemperatur. Diesmal nicht nur mit einer Pflanze sondern 12

    Wenn du wieder mit den Kartons arbeitest könntest du unten und oben ein Loch reinschneiden, Kamineffekt sozusagen. Evtl. reicht das und du ben. keinen zus. Lüfter.


    Ich hab mir jetzt Aluplatten 30x30cm als Kühlkörper besorgt und werde, sobald meine tiefroten LEDs ankommen auch mal experimenieren.
    Zu Beginn einfach mal 4xKaltweiß (die Sommeraktion Cree XP-G R5) + 1x Royalblau + 1x Tiefrot. Alle bei 350mA.
    Mal sehn ob das auf die Fläche zum überleben/wachsen der Pflanzen reicht. Pflanze noch nicht entschieden.

    Die Kartons sind dafür zu klein. Die Mini Gewächshäuser haben oben Öffnungen, aber die reichen bei weitem nicht, selbst wenn ich den Deckel unten offen habe. Ich bekomme ja sogar unter den LEDs Temperaturen von 30°C, wenn ich den Deckel ganz weglasse.


    Ich bin am überlegen, wie ich den Test durchführen kann. Es ist schwierig, halbwegs gleiche Bedingungen zu erhalten. Ich habe ja seit ein paar Wochen Salat am Südfenster stehen, und der ist trotz reichlich Sonne am spargeln. Da ist der Salat unter der einzelnen kaltweißen LED und sogar unter der einzelnen blauen LED besser gewachsen (die sind übrigens inzwischen draußen). Deshalb bin ich am überlegen, ob das überhaupt Sinn ergibt. Ich habe aber auch keinen deutlich besseren Platz. Und das Wetter in den nächsten Wochen wird eher schlechter mit noch weniger Sonne, also nahezu gar keine Chance für die "Referenz".


    Einzige Alternative wäre ein Gewächshaus draußen, was ich aber noch nicht habe. Aber ich mache mir mal Gedanken. Eventuell gehe ich doch wieder in den Keller und lass den Salat bei Tageslicht weg.

    Zitat von nähmaschine


    Mal sehn ob das auf die Fläche zum überleben/wachsen der Pflanzen reicht. Pflanze noch nicht entschieden.


    Welche Fläche soll das sein?


    Ich werde die ESL weglassen. Ich sehe keinen Sinn in einer ESL oder LSR ohne vernünftigen Reflektor, aber eine vernünftige Lampe kostet 30-40€ Minimum. Das ist es mir nicht wert für einen einmaligen Test. Und nachdem ich die Lichtspektren von einigen LSR gesehen habe sehe ich ehrlich gesagt auch darin keinen Sinn.


    Hier gibt es zwei Spektren von der Osram Fluora und Sylvania Gro-Lux, jeweils mit 36W. Wie man sehen kann ist vor allem die Gro-Lux schmalbandig wie LEDs, eher noch schmalbandiger. Das blaue Spektrum ist kaum breiter als 10nm. Mit vier blauen LEDs hat man die gleiche Strahlleistung und eine größere Bandbreite. Noch ein paar tiefrote und vielleicht noch organge/amber dazu, dass reicht. Das einzige was dann fehlt ist der UV Anteil und, wenn gewünscht, grün.


    Ich hab es mal grob überschlagen. Alles zusammen in LEDs wäre man unter 36W, unter 30W, wenn man aktuellere/effizientere LEDs nimmt. Royalblau gibt es mittlerweile glaube ich mit 600mW und tiefrot mit über 700mW Strahlleistung. Ich hab mit den LEDs von Seite 13 gerechnet.

    Stimmt das, was hier steht?


    Zitat

    Die weit energieärmere UV-A Strahlung wird nur zum Teil von der Atmosphäre herausgefiltert. Die UV-A Strahlung hat keinen direkten Einfluss auf die Photosynthese. Die Pflanzen brauchen kein UV Licht zum Wachsen.


    Aber denoch hat die UV-Strahlung einen bestimmten Einfluss auf die Pflanze. Auf UV Strahlen reagieren die Pflanzen mit gedrungerem Wachstum und kleinen Blättern. So reduzieren die Pflanzen die Bestrahlungsfläche. Auch produzieren die Pflanzen mehr grüne Pigmente als Sonnenschutz.

    Als erster Fehler ist mir die Behauptung aufgefallen, dass UVB nicht auf der Erdoberfläche ankommen soll. Stimmt so nicht und hängt vom Sonnenstand ab, ohne UVB würde der Mensch z.B. kein Vitamin D in der Haut bilden können (und auch kaum Sonnenbrand bekommen). Über 45° Sonnenstand ist jedenfalls ordentlich UVB im Licht vorhanden.


    Da ich die ganzen Pflanzenphysiologiebücher noch hier habe konnte ich nochmal nachschauen.
    Pflanzen passen sich recht gut dem natürlich vorkommenen UVA/B-Anteil des Sonnenlichts an, Schäden werden z.B. durch Flavonoid/Anthocyanbildung vermieden (hast du ja bei deinem Salat gesehen). Nur wenn die Pflanzen lange ohne UV (künstl. Licht) gezogen werden und dann plötzlich lange in der Sonne stehen kommen Schäden vor (also wie beim Menschen).
    Ansonsten wird UVA meist zum Blaulichtbereich gezählt und steuert damit genauso Phototropismus usw.
    Zu kleinen Blättern als Schutzreaktion hab ich nichts gefunden.


    Meine Fläche wird 30x30cm, so groß wie der Kühlkörper für die LEDs.
    Mit einer 9W ESL (Lichtfarbe 840) kann man auf dieser Fläche nämlich durchaus schon eine Pflanze wachsen lassen. Sicher nicht optimal, aber es geht ohne zu spargeln. Reflektor hab ich immer selbst gebastelt, auch nicht perfekt, aber besser als nix.
    Bisher hatte ich nur Tomatenkeimlinge, eine mir unbekannte trop. Pflanze aus Bolivien (Chiliähnliche Blätter aber mit Stacheln) und Farne unter Leuchtstoffröhre. Lief gut. Achso, eine kleine Hanfpflanze von einem Bekannten für 1 Monat in Pflege wuchs da auch sehr kompakt. Er nickte jedenfalls zufrieden beim Abholen.


    Solltest du doch noch ne ESL als Vergleich ausprobieren wollen lass die Growlux/Fluora links liegen, eine normale 840/865 (Dreibandenleuchte) bietet mehr verwertbare Strahlung.
    Wenn du warmweiße oder Farred (730nm) LEDs weglässt hast du jedenfalls nix über 700nm im Programm. Könnte mir vorstellen, dass viele Pflanzen, doch mal ein wenig davon benötigen.
    Wäre evtl. ne Idee da was zuschaltbar in petto zu haben.

    So, ab morgen früh starte ich den nächsten Versuch. Ich habe 3 Aufbauten mit je 12 Salatsamen in den kleinen viereckigen Torftöpfen (4x3) mit normaler Anzuchterde.


    Der erste Aufbau ist ein Mini Gewächshaus, das draußen auf der Terrasse steht. Das heißt, volles Sonnenlicht, wenn vorhanden, aber auch nachts 10°C, sollte es kälter werden hole ich das Gewächshaus über Nacht rein. Ich habe ihn nach draußen gestellt, weil der Salat am Südfenster trotz viel Sonne spargelt.


    Den zweiten und dritten Aufbau habe ich wieder im Keller, da hier relativ konstante Temperaturen herrschen. Ich habe hier jeweils nur die Unterschale des Mini Gewächshaus verwendet, weil es mit Deckel zu einem Hitzestau durch die LEDs kommt. ca 10cm über den Torftöpfen ist ein Kühlkörper mit je 8 LEDs, einmal 4 warmweiß und 4 kaltweiß und einmal 4 rot und 4 blau. Ich habe das 50:50 Verhältnis gewählt, um einen Überschuss an blau zu erhalten. Die weißen LEDs bringen es auf 17,5W und die rot/blauen 15,5W (elektrische Energie), vorausgesetzt ich habe richtig gemessen/gerechnet. Die Einschaltdauer habe ich auf 14 Stunden erhöht.


    Ich überlege, den abrupten Ein-/Ausschaltvorgang durch ein langsames Ansteigen bzw Abdunkeln zu ersetzen. Ich möchte sogar den natürlichen Lichtzyklus simulieren. Dazu will ich das blaue Licht innerhalb von 30 Minuten auf 100% bzw 0% regeln und das rote Licht innerhalb von 60 Minuten.