Balasus, Jens ; Wagner, Max ; Khanh, Tran Quoc (2017):
Beleuchtungssystem zur Untersuchung von Pflanzenwachstum unter zeitlich moduliertem Licht.
22. Symposium (DAfP) - Solarstrahlung: Wirkung, Anwendung, Messung und Simulation, Freiburg, 18.-19.05.2017, [Conference or Workshop Item]

Abstract

Durch effiziente und flexible Beleuchtungsmöglichkeiten mit Leuchtdioden (LEDs) sind biologische Untersuchungen durchführbar, die vor einigen Jahren nicht möglich gewesen wären. Anders als mit konventionellen Leuchtmitteln wie Natriumdampf- oder Metallhalogendampflampen kann mit LEDs einfach zeitlich moduliertes Licht erzeugt werden. Üblicherweise werden LED-Lichtquellen mit einer Pulsweitenmodulation gedimmt, für die Wahrnehmung des Menschen führt dies bei geeigneten Frequenzen zu keinen Nachteilen. Es stellt sich die Frage, ob eine Dimmung durch Pulsweitenmodulation in der Pflanzenbeleuchtung einen Einfluss auf die Pflanze hat. Frühere Untersuchungen zeigen einen Zusammenhang zwischen pulsweitenmoduliertem Licht und Pflanzenwachstum. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Beleuchtungssystem entwickelt und zweifach aufgebaut, das die Untersuchung von Pflanzenwachstum unter zeitlich moduliertem Licht ermöglicht. Erzeugt werden kann pulsweitenmoduliertes Licht mit einer einstellbaren Frequenz bis zu 10 kHz und einem Tastgrad von 50 %. Die Einstellung der Frequenz und des Photonenstroms erfolgt mit einem Mikrocontroller. Der Anwender kann diesen mit Tastern direkt am System bedienen und die Einstellungen an einer Anzeige überprüfen. Über integrierte Rollenbahnen können die Versuchspflanzen dem System einfach, z.B. für Pflege und Untersuchungen entnommen werden. Die spektrale Verteilung des Lichts ist auf die Maxima der Wirkungsfunktion der Photosynthese nach DIN 5031-10 abgestimmt. Hierfür wurde methodisch aus 20 LED-Kombinationen ein geeignetes LED-Paar mit Spitzenwellenlängen von 450 nm und 655 nm ausgewählt. Die insgesamt 36 verwendeten High-Power-LEDs sind einzeln bezüglich ihrer Strahlungsleistung und Spitzenwellenlänge vermessen und gleichmäßig auf die beiden Systeme verteilt. Dadurch ist es möglich einen Versuch gleichzeitig mit unterschiedlichen Lichtbedingungen durchzuführen und andere Einflüsse gering zu halten. Unterhalb der Beleuchtungseinheit befindet sich eine Streuscheibe, die das Licht spektral durchmischt. Im pulsweitenmodulierten Betrieb mit einem Tastgrad von 50 % wird damit auf der Beleuchtungsfläche eine zeitlich gemittelte Photonenstromdichte von bis zu 95 µmol m-2 s-1 im roten und 70 µmol m-2 s-1 im blauen Spektralbereich erzeugt. Die Gleichmäßigkeit g1 der Photonenstromdichte auf der quadratischen Beleuchtungsfläche mit einer Kantenlänge von 26 cm beträgt 0,92. Optimierungsmöglichkeiten bestehen in der Erhöhung der Homogenität. Dies kann z.B. durch eine Verringerung der vorhandenen Türspalte erfolgen. Die Höhe der Pflanzen kann bis zu 50 cm betragen, nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Photonenstromdichte mit sinkendem Abstand zur Streuscheibe schnell ansteigt. Die Beleuchtungseinheit des Systems ist mit wenigen Handgriffen austauschbar. Dadurch ist das System flexibel anwendbar und kann entsprechend mit anderen LEDs bestückt werden um beispielweise höhere Leistungen oder andere Spektren zu erzeugen. Ein erster Versuch wurde durchgeführt und ausgewertet, um die Funktionsfähigkeit des Systems zu demonstrieren.

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