Wissensbasis

• Menschen nehmen Energie über die Nahrung zu sich (Kalorien) und wachsen. Pflanzen können die Energie der Sonnenstrahlung mittels Photosynthese zur Ernährung nutzen.
• Bei der Photosynthese werden energiearme Moleküle durch die Energie von Licht in energiereiche Moleküle gewandelt.
• Dabei wird CO2 verwendet und Sauerstoff erzeugt.

de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese

Photoaktive Pigmente sind Moleküle, die bei Aufnahme (Absorption) elektromagnetischer Wellen bestimmter Wellenlänge mit bestimmter Wahrscheinlichkeit eine Funktion erfüllen können. Bsp.: Verschiedene Chlorophylle, Carotinoide, Phytochrome [Links].

Sekundäre Pflanzenstoffe sind sehr wichtig für die Pflanzen und manche können zur Photosynthese und anderen Stoffwechselprozessen in der Pflanze beitragen. Im Gegensatz zu Chlorophyllen sind sie für die Pflanze aber nicht lebensnotwendig. Sie stehen in Elektronentransportketten in verschiedenen, für die Homöostase im Pflanzenwachstum wichtigen Prozesse bereit. So machen Carotinoide Pflanzen stärker gegen Schädlinge. Bsp: Carotinoide, Phytochrome, Xenophylle

de.wikipedia.org/wiki/Sekund%C3%A4re_Pflanzenstoffe

• Chlorophylle sind Farbpigmente, die Pflanzen ihre grüne Farbe geben die nach Aufnahme elektromagnetischer Strahlung bestimmter Wellenlänge zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit Energie für das Pflanzenwachstum produzieren können. Chlorophylle sind der wichtigste Energielieferant von Pflanzen und für Pflanzen überlebensnotwendig.
• Es gibt mehere verschiedene Chlorophylle und Bacteriachlorophylle, die leicht unterschiedlich sind. Für den Pflanzenwachstum ist vor allem Chlorophyll a und b relevant.
• Die Absorptionsspektren von Cholophyll a und b sind hier abgebildet.

Spektrum: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/Chlorophyll_spectrum.png

de.wikipedia.org/wiki/Chlorophylle

Cryptochrome sind schwere Flavoproteine, die blaues Licht absorbieren können. Flavoproteine sind grundlegend für alle Vorgänge der Zellatmung, da sie an den entsprechenden Elektronentransportketten beteiligt sind.

[Spektrum]

Xanthophylle kommen in den Plastiziden aller photosynthetisch aktiven Zellen von Pflanzen vor. Als Pigmente in der Zellmembran schützen sie vor der Photooxidation von Zellbestandteilen.

Die Flavonoide sind eine Gruppe sekundärer Pflanzenstoffe, zu denen ein Großteil der Blütenfarbstoffe gehört. Sie erfüllen eine Vielzahl an wichtiger Funktionen beim Pflanzenwachstum.

de.wikipedia.org/wiki/Flavonoide

Carotinoide haben ein anderes Aktionsspektrum wie Chlorophylle. Der Stoffwechselprozess kann Energie zur Photosynthese beitragen, aber auch zu Veränderungen in der Pflanze, die zur Schädlingsresistenz sehr wichtig sind.

de.wikipedia.org/wiki/Carotinoide

Keto-Carotinoide sind eine Gruppe an Carotinoiden, die wichtige Funktionen im Pflanzenwachstum hat und ein von den anderen Carotinoiden abweichendes Absorptionsspektrum besitzt.

[Spektrum]

• 1 µmol Strahlung bedeutet etwa 60.220.000.000.000.000 einzelne Photonen mit Wellenlängen des Lichtspektrums einer Lampe. Eine einzelne Sol-Leuchte strahlt mit etwa 150µmol pro Sekunde. 12 Stunden sind 43.200 Sekunden - da kann man sich in etwa vorstellen, wie Komplex das Pflanzenwachstum ist.
• Jedes einzelne Photon kann mit bestimmter Wahrscheinlichkeit in einem der unzähligen Molekülen der Pflanze absorbiert werden, sollte es auf die Pflanze treffen und einen bestimmten Stoffwechselprozess auslösen
• Durch die unzählig vielen Stoffwechselprozesse entsteht statistisch eine energetische Homöostase, welche über die Qualität des Pflanzenwachstums entscheidet.

Das R:FR Verhältnis bezeichnet das Rot ("red") zu Tiefrot ("far red") Verhältnis eines Lichtspektrums. Es hat große Auswirkungen auf die Photomorphogenese [LINK] einer Pflanze. Nach Smith et al. wurde es 1982 auf das Wellenlängenverhältnis (650-670nm) zu (720-740nm) definiert.

• Auch Strahlung außerhalb des PARs, hier über 700nm trägt zu den Stoffwechselprozessen in der Pflanze bei. Das Phytochromsystem ist wichtig für die Erkennung der Tageslänge von Pflanzen. Durch Steuerung des Verhältnisses zwischen 660nm und 730nm kann das Wachstum einer Pflanze beeinflusst werden.
• Wenn zu wenig 730nm-Strahlung vorhanden ist, können die Stoffwechselprozesse der Pflanzen in einen „energetischen Stau“ kommen, was das Pflanzenwachstum pro Watt (Energie) limitiert.
• Das Phytochromsystem besteht aus zwei Molekülen, die unter Bestrahlung mit 680nm (P) in die Form Pr übergeht. Bestrahlt man die Form Pr mit 730nm-Strahlung, wird der reversible Vorgang umgekehrt.
• Die Pflanze "spürt" durch das Phytochrom-Verhältnis an Pr:Pfr das R:FR-Verhältnis und somit den Tageszeitpunkt.
• Das R:FR-Verhältnis ändert sich tagsüber: Im frühen Morgengrauen und im Abendrot ist das Verhältnis R:FR kleiner als 1, während es tagsüber deutlich kleiner als 1 ist.
• Mit spektralen Impulsen lässt sich mit Hilfe des Phytochromsystems das Pflanzenwachstum morphologisch und qualitativ beeinflussen.

[Spektren Pr und Pfr]

• Der Lichtsättigungspunkt beschreibt die Lichtintensität, bei der die Sauerstoffproduktion einer Pflanze und somit die Photosyntheserate abflacht.
• Noch mehr Licht hat keinen Effekt auf die Photosyntheserate, außer man führt künstlich CO2 zu, mit dem die Pflanze arbeiten kann.

• Watt ist die grundlegende physikalische Energieeinheit. Die Energie eines Photons kann durch die Wellenlänge des Photons, die Lichtgeschwindigkeit, mit der sich das Photon fortbewegt und einen konstanten Wert (das plancksche Wirkungsquantum) berechnet werden.
• Die Energie eines Photons nimmt proportional zur Wellenlänge ab. Ein rotes Photon mit 660nm hat also 50% weniger Energie als ein blaues Photon mit 440nm.
• µmol ist eine Mengenangabe über die Anzahl von Photonen einer Lampe. 1 µmol sind etwa etwa 60.220.000.000.000.000 einzelne Photonen, aber das sagt nichts darüber aus, wie viel Energie die einzelnen Photonen besitzen.

[Formeln als Bilder]

Es gilt Energieerhaltung: Ein Photon wird an einem Medium (einem Molekül) entweder aufgenommen (absorbiert), reflektiert oder durchgelassen (transmittiert). Diese 3 Vorgänge geschehen jeweils mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zwischen 0-100%, in der Summe mit insgesamt 100%.

A+R +T = 100%

• Die Farbtemperatur ist weiße Lichtfarbe, die dem spektralen Verhältnis der Strahlung eines Schwarzen Strahlers am ehesten entspricht. Er wird in Kelvin [K] bemessen, der Temperatur des korrelierenden Schwarzen Strahlers.
• Die Sonne hat eine Temperatur von ca. 5700K
• Das Lichtspektrum der Sonne schwankt tagsüber auf der Erde zwischen 2500-12000K, je nach Uhrzeit bzw. Sonnenposition.

• PAR (Photosynthetisch aktive Strahlung) ist per Definition elektromagnetische Strahlung mit Wellenlänge zwischen 400-700nm.
• Der PAR-Wert hat nur begrenzte Aussagekraft: Grüne Strahlung um 550nm wird von einer Pflanzen nicht so effizient absorbiert wie rote oder blaue Strahlung.
• Der PAR-Wert beinhaltet weder UV-Strahlung noch Tiefrote Strahlung mit 730nm, welche wichtig für das Pflanzenwachstum sind.
• Der PPFD ist die Photonenflussdichte in diesen Bereichen und wird in µmol/m²s, also in Photonenanzahl pro Quadratmeter und Sekunde bemessen.
• Der PBAR ist die "photobiologisch aktive Strahlung" und erweitert den PAR von 280-800nm Wellenlänge. Er berücksichtigt wichtige UV-, FR- und IR-Strahlung.

Der Yield Photon Flux (YPF) ist ein bisschen weitergedacht als der PAR – Wert, da er mit dem Aktionsspektrum von Pflanzen multipliziert ist und im Bereich 400-700nm nicht einfach gleich gewichtet ist. Allerdings ist dieser Wert auch nicht universal aussagekräftig.

[Grafik: Spektrum]

• Das „Licht-Spektrum“ bezeichnet das energetische Spektrum in Intensität pro Wellenlänge.
• Vorsicht: Mit Intensität kann entweder die Energie pro Wellenlänge oder die Anzahl der Photonen pro Wellenlänge gemeint sein.
• Es gibt ein Reflexions-, Absorptions-, Transmissions-, und Emissionsspektrum

[Grafik: Spektrum]

• Lumen & Lux werden verwendet, um die Helligkeit für das menschliche Auge zu beziffern.
• Fälschlicherweise werden die Einheiten Lux und Lumen manchmal verwendet, um eine Pflanzenwachstumsleuchte zu beschreiben.
• Lux und Lumen sind energetische Lichteinheiten, die mit dem Absorptionsspektrum des menschlichen Auges verrechnet sind, welches nichts mit Pflanzen zu tun hat

• Der Farbwiedergabeindex oder CRI ist ein Wert für die Farbwiedergabe von einer Lichtquelle im Verhältnis zum Lichtspektrum eines idealen schwarzen Strahlers, an das wir Menschen uns gewöhnt haben, weil es ähnlich dem des Sonnenspektrums ist.
• Für Pflanzen hat der CRI keine Bedeutung.

• Was Effizienz bedeutet, muss erst definiert werden. Letztlich sind es verschiedene Faktoren, die zur Gesamtgüte eines Produktes beitragen.
• Elektro-Optische Effizienz: Die Verwandlung von elektrischer Energie zu elektromagnetischer Strahlung hat eine Effizienz zwischen 0-100%. Typischerweise hat eine NDL 25%, eine LED etwa 40% (stark Herstellungs- Temperatur- und Materialabhängig)
• Nachhaltige Effizienz: Die Strahlung sinkt mit Lebensdauer. Bei niedrigeren Temperaturen altern LEDs langsamer als bei hohen Temperaturen.
• PAR/W bzw. µmol/J ist die Anzahl an Photonen (400-700nm), welche pro elektrische Energie ausgestrahlt wird. Dieser Wert lässt mit Alterung der Lampe nach und sagt wenig über die Qualität einer Leuchte aus [Link].

Die Glühbirne kennt heutzutage noch jeder. Leuchtstoffröhren, Natriumdampflampen und Energiesparleuchten haben in den letzten Jahrzehnten in der Lichtindustrie den Markt beherrscht. Die LED-Technologie hat den Licht-Markt komplett verändert und modernisiert, effizientes Licht mit beliebiger Lichtfarbe wurde ermöglicht.

• Durch Stromfluss werden in dotierten Halbleitern Elektronen auf ein höheres aber instabiles Energieniveau angeregt. Wenn die Elektronen wieder auf das Ausgangsniveau herabfallen, wird die Energie in Form von Licht ausgestrahlt.
• Die Lichtfarbe der LEDs ist durch die Dottierung und das Material des Halbleiters bestimmt. Die Breite (Halbwertsbreite) des Spektrums einer LED variiert normalerweise um etwa 30nm.
• Weiße LEDs werden normalerweise mit blauen LEDs realisiert, die durch einen Phosphor strahlen und ihn teilweise anregen. Danach wird breitbandig (ca 200nm Bandbreite) Strahlung niederer Energie abgestrahlt. Die blaue Strahlung der LEDs und die grün-rote Strahlung des Phosphors addieren sich zu einem weißen Licht. Mittlerweile gibt es im Pflanzenbeleuchtungs-Segment auch rote Phosphore, die keine grüne Strahlung emittieren.

• Durch Angelegen einer Spannung wird in einem Gasgemisch Teilchen angeregt, welche Licht aussenden. Die Effizienz beträgt bei Hochdruck-Gasentladungslampen max. ca. 25% (Vgl. LED ca. 40-45%)
• Das Lichtspektrum wird durch das Gasgemisch bestimmt und lässt sich nicht so einfach bestimmen wie bei LEDs.
• Dadurch ist die Effizienz der Gasentladungslampen (Ertrag pro Watt) deutlich geringer als bei LEDs.