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Lichtsteuerung für die Lebensmittelproduktion
Vertical Farming ist ein Ansatz, um angesichts des wachsenden Nahrungsmittelbedarfs und schwindender Agrarflächen wasser- und platzsparend zu produzieren. Dazu bedarf es effizienter Beleuchtung.
Die Menschheit steht vor zahlreichen Herausforderungen. Bis 2050 wird die Weltbevölkerung voraussichtlich auf bis zu neun bis zehn Milliarden Menschen ansteigen. Zugleich nehmen extreme Wetterphänomene wie langanhaltende Dürren, schwere Stürme mit Hagel oder Überflutungen als Auswirkungen des Klimawandels zu. Bodenversiegelungen führen zu Ackerverlusten, Ressourcen wie Wasser und Nährstoffe werden knapp. Neue Lösungen sind gefragt, um die Ernährung in Zukunft zu sichern.
Controlled Environmental Agriculture (CEA) ist eine dieser Lösungen, die zur Ergänzung der traditionellen Landwirtschaft beitragen. Indoor Vertical Farming ist eine Form dieser Anbaumethode, in der Pflanzen unter optimalen Bedingungen kultiviert werden. Horticulture LEDs liefern dabei das Licht in genau den Wellenlängen, die die Pflanzen nutzen können. Durch den Anbau in mehreren Ebenen übereinander ist es möglich, mehr Ertrag auf gleicher Fläche zu erzielen und Platz zu sparen (Bild 1).
Mit geschlossenen Wasser- und Nährstoffkreisläufen lassen sich zudem Ressourcen besser nutzen.
Der Anbau mitten in der Stadt gestattet einerseits die Ernte zur richtigen Zeit, was einen höheren Nährstoffgehalt der Pflanzen ermöglicht. Andererseits hat dies zur Folge, dass die Transportwege deutlich kürzer werden. So können CO2 reduziert und Transportverluste vermieden werden.
Vertical Farming ermöglicht einen Anbau überall in der Welt, ist wetterunabhängig und gewährleistet überall die gleiche Pflanzenqualität.
Es gibt viele Einflussfaktoren beim Vertical Farming, hierzu zählen Temperatur, Bewässerung, CO2, Nährstoffverfügbarkeit, Luftfeuchtigkeit und das Licht. Indoor Vertical Farming wurde erst durch LEDs möglich.
Innovationen im Vertical Farming fördern
Würth Elektronik bietet nicht nur Horticulture-LEDs an, sondern fördert aktiv deren möglichst nutzbringende Anwendung. Neben eigenen Pflanzenwissenschaftlern mit eigener Forschung im Team, zählen auch diverse Hilfsmittel für Entwickler dazu. Verschiedene Application Notes geben einen ersten sehr guten biologischen und elektrischen Wissensüberblick über grundlegende Themen zur Pflanzenbeleuchtung.
Ein wichtiges Hilfsmittel ist der „Horticulator“, eine Funktion des Online-Simulations-Tools REDEXPERT. Damit können eigene Lichtspektren zusammengestellt werden.
Würth Elektronik unterstützt auch bei der Berechnung der Lichtspektren und der Auswahl der richtigen LEDs für die einzelnen Applikationen. Das Lighting Development Kit hilft Entwicklern bei der Lichtsteuerung.
Lighting Development Kit
Das Lighting Kit bietet eine einfache Lösung, um RGBW-Farben für verschiedene Beleuchtungssituationen zu mischen oder das Wachstum von Pflanzen mit dem Horticulture Panel zu verstärken. Zusätzlich enthält es ein „Sunshine-Panel“ für die Innenraumbeleuchtung im Sinne des Human Centric Lighting. Der MagI³C Multi-Color-LED-Treiber kann alle Panels mit Strom versorgen. Mit vier MagI³C-LED-Step-Down-High-Current-Modulen als Herzstück ist es möglich, die Farbe durch die Intensität jeder der vier LED-Kanäle individuell zu steuern, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.
Die Steuerung erfolgt über eine App für IOS und Android, die entwickelt wurde, um das Referenzdesign über Bluetooth LE zu steuern. Die Platine enthält einen EMI-Filter, um die Grenzwerte der EN55015-Norm für leitungsgeführte Beleuchtung und der CISPR32-Norm für abgestrahlte EMV (getestet mit 1 m Ausgangskabellänge) auch beim Dimmen der LED-Kanäle einzuhalten.
Anwendungsbeispiele Lighting Development Kit
Das Lighting Development Kit ist Ausgangspunkt für viele Produktentwicklungen. Mit Hilfe des Lighting Development Kits wurde mit der Firma Agile Solutions eine Art Beleuchtungsvorhang (Bild 2) entwickelt. Dieser Beleuchtungsvorhang wurde mit den Würth Horticulture Midpower LEDs der Serie WL-SMTW und den weißen LEDs der Serie SWTP bestückt. Hierbei kommen LEDs mit der Peak Wellenlänge 450 nm, 660 nm, 730 nm und weiße LEDs mit der CCT 5000k zum Einsatz. Die einzelnen LED-Farben können jeweils separat angesteuert werden und sind von 0 bis 100 % stufenlos dimmbar. Durch die Mikrocontroller-Ansteuerung ist eine flexible Mischung und Erstellung von Lichtrezepten möglich, um so auf Qualitätsparameter der Pflanze - beispielsweise bessere Bewurzelung, mehr Biomasse, höherer Sekundärstoffgehalt, etc. - einzugehen. Zusätzlich wird eine dynamische Beleuchtung über die Dauer der gesamten Vegetationszeit ermöglicht. Durch die intelligente Leistungselektronik konnte der Wirkungsgrad um 20 % erhöht werden im Vergleich zu konventionell angesteuerten LED-Systemen. Die Beleuchtungsfläche beträgt 1,35 m2 pro Vorhang. Die flächige Verteilung der LEDs ermöglicht eine sehr homogene Ausleuchtung der Zielfläche bei einem geringen Abstand, was eine einheitliche Pflanzenqualität ermöglicht.
Das Potenzial der Algen
Dieser Lichtvorhang ist sehr gut im Bereich Vertical Farming einsetzbar, findet aber auch Verwendung in anderen Applikationen der Pflanzenbeleuchtung. Ein Beispiel dafür ist der Algenreaktor der Firma Alganetics (Bild 3). Die entwickelte Beleuchtung ermöglicht die Produktion von Mikroalgen mit sehr hohem Reinheitsgehalt. Die produzierten Algen können als Proteinlieferanten in der Ernährung von Mensch und Tier verwendet werden. Sekundäre Pflanzenstoffe der Algen dienen zudem als Zusatzstoffe in der Kosmetik und Pharmaindustrie.
Ein weiteres Beispiel für die Verwendung des Lighting Development Kits ist das Start-up Organifarms. Hier wurde anhand der Sunshine-Platine ein Beleuchtungskonzept entwickelt, was es dem Ernteroboter des Start-ups ermöglicht, rund um die Uhr zu ernten. Es werden hierbei schlechte Lichtverhältnisse ausgeglichen, damit das Kamerasystem des Roboters reife von unreifen Früchten unterscheiden kann (Bild 4).
Das Lighting Development Kit diente auch als Grundlage für die Entwicklung zweier Leuchten der Firma Engel Lighting (Bilder 5 a) und b)). Beide Leuchten sind mit den Horticulture High Power LEDs der Serie WL-SMDC ausgestattet und bieten verschiedene Spektralbereiche von UV bis Infrarot. Die Leuchte Line ist vorwiegend im Bereich Vertical Faming im Einsatz und erzielt PPE-Werte (Photosynthetic Photon Efficacy) von bis zu 2.8 µmol/J.
Bei einem Abstand von 30 cm können PPFD-Werte (Photon Flux Density) von 450 µmol/m²s erreicht werden. Die Leuchte Optimus wird vorwiegend im Bereich Gewächshaus verwendet. Sie erzielt PPE-Werte von bis zu 3,1 µmol/J und PPFD-Werte, bei einem Abstand von 30 cm, von bis zu 1260 µmol/m²s. Die modular erweiterbaren LED-Pflanzenleuchten lassen sich stufenlos während des Betriebs dimmen.
Forschung und Support
Das Development Kit kommt auch bei Würth Elektronik selbst zu Einsatz, zum Beispiel in dem für interne Forschungszwecke entwickelten „HortiRack“ (Bild 1). Das HortiRack ist ein Indoor-Gewächsschrank für Experimente zur nachhaltigen Lebensmittelproduktion. Die Pflanzenwissenschaftler im Optoelektronik-Team untersuchen damit die Auswirkungen verschiedener Wirkungsspektren auf die Entwicklung der Pflanzen. Im HortiRack werden „Microgreens“, Kräuter und verschiedene Blattgemüse angebaut. Geforscht wird an dynamischen Lichtspektren zur Steigerung der Qualitätsparameter von Pflanzen.
Bei Würth Elektronik fühlt man sich verantwortlich, die Zukunft durch die Entwicklung und den Einsatz neuer Technologien proaktiv mitzugestalten. Dies gelingt durch intensive Partnerschaften mit mittelständischen Unternehmen, Konzernen und Start-ups. Mit dem Lighting Development Kit, biologischem Know-how und dem richtigen Netzwerk hilft das Unternehmen Entwicklern, Lösungen für die „Farm“ von morgen zu finden.
Autoren
Alexander Gerfer, CTO, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
Johann Waldherr, Business Development Manager Electronic Power & Lighting Solutions, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
Harun Özgür, Executive and Head of eiPal Optoelectronics & Additive Manufacturing bei Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
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