Vertical Farming Worauf bei LED-Auswahl und Thermomanagement zu achten ist

Autor / Redakteur: Burak Duman, Martin Unsöld und Safa Demir / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit moderner LED-Technik verbunden mit einem geeigneten Kühlelement lassen sich Nutzpflanzen auch in größerem Stil in einer Stadt anbauen. Was von technischer Seite zu beachten ist.

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Die vielen LED-Elemente beim Vertical Farming müssen mit Strom versorgt und ausreichend gekühlt werden.
Die vielen LED-Elemente beim Vertical Farming müssen mit Strom versorgt und ausreichend gekühlt werden.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Vertikale Landwirtschaft, besser bekannt als vertical Farming: So lassen sich Obst und Gemüse auf wenigen Quadratmetern anbauen, übereinander in mehreren Etagen. Wachsen die Pflanzen komplett ohne Sonnenlicht, spricht man von Indoor Farming. Sonnenlicht ist dabei nicht notwendig. Eine andere Form ist das Urban Farming: Stillgelegte U-Bahn-Tunnel oder Bunker sowie Dächer oder Wände von Gebäuden dienen als Anbaufläche für Pflanzen. Dank spezieller LEDs, die 24 Stunden die Pflanzen beleuchten, können Obst und Gemüse über das ganze Jahr geerntet werden. Wichtig ist die passende, ineinander greifende Auswahl von LED, Treiberbaustein und Thermomanagement. Sie alle kombiniert liefern ein optimales Ergebnis.

Damit das künstliche Licht die Photosynthese der Pflanzen fördert, ist die richtige Kombination aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen notwendig. Man spricht von einem schmalbandigen Licht. Die Wellenlängen betragen 450, 660 sowie 730 nm und etwas grünes Licht mit 520 bis 550 nm wirken sich auf die Photosynthese aus. Je nach Stadium der Pflanze ist eine andere Lichtzusammensetzung ideal. Befindet sich die Pflanze gerade im Keimstadium, in der vegetativen Phase oder in der Fertilisation.

Stimmiges Licht für die Pflanzen

Auch Pflanzen haben ein Zeitgefühl, das aus den Wellenlängen des natürlichen Lichts im Tagesverlauf resultiert. So sind beispielsweise gegen Abend 730 nm (Far Red) optimal, um die Pflanzen auf die Nachtruhe vorzubereiten, während die Pflanze 450 nm (Deep Blue) und 660 nm (Hyper Red) für die Photosynthese benötigt. Es gibt eine Vielzahl an LEDs mit den unterschiedlichen Wellenlängen, die sich für ein individuelles Horticulture-Board kombinieren lassen:

  • High-Power-LEDs liefern die höchste Helligkeit. Die Oslon-Produktfamilie von Osram liefert nicht nur eine hohe Helligkeit, sondern kombiniert sie mit verschiedenen Bestrahlungswinkeln von 80°, 120° oder 150° kombiniert mit einer breiten Auswahl an Farbspektren. Speziell für Horticulture-Lighting hat Osram die Oslon-SSL-Color-LEDs in den Wellenlängen 450 nm (Deep Blue), 660 nm (Hyper Red) und 730 nm (Far Red) sowie die Oslon Square mit 450 nm und 660 nm entwickelt. Die SSL-Familie stellt zusätzlich Farbspektren wie Blue, True Green und Red für spezielle Lichtmischungen zur Verfügung. Die Oslon Square mit einem Abstrahlwinkel von 120°, erreicht eine Effizienz von bis zu 3,78 μmol/J, die Oslon-SSL-Produktfamilie 3,91 μmol/J. So ist ein bedarfsgerechter Anbau von Pflanzenkulturen möglich. Mittels entsprechend gesteuerter Lichtfrequenzen kann deren Wachstum sogar optimiert werden: größere Pflanzen, höherer Ertrag, weniger Schadstoffe.
  • Schutz vor Keimen, Sporen und Bakterien bieten die UV-B-LEDs mit 280 bis 315 nm sowie die UV-A-LEDs mit 315 bis 400 nm. Sie gibt es zum Beispiel von Stanley. Damit wird die Lagerzeit verlängert und sogar Geschmack und Farbe der Früchte verbessert.
  • Mid-Power LEDs sind nicht so hell wie die High-Power-Varianten, dafür kostengünstiger. Deshalb sind sie für Konsumentenanwendungen interessant. Auch die Effizienzwerte sind für den Hausgebrauch ausreichend, um die Photosynthese entsprechend zu fördern. Rutronik bietet dafür zum Beispiel die Packages 2835 und 3030 von Everlight und die Serie Duris S5 von Osram. Die kompakte Duris S5 Purple ist platzsparend und bietet die photosynthesewirksamen Wellenlängen 450 nm und 650 nm.

Die Energieversorgung für die künstliche Sonne

Die große Menge an LEDS auf einem Horticulture-Board erfordert eine leistungsstarke Energieversorgung. Realisieren lässt sich das zum Beispiel mit dem Power-Modul OT FIT 380/230-400/1A4 von Osram. Entwickler können dank des breiten Spannungsbereichs von 200 bis 400 V verbunden mit der Bandbreite an Stromstärken von 400 bis 1.400 mA ihre Board-Designs flexibel gestalten und die Anzahl der verwendeten LEDs variieren. Auch lässt sich die Stromstärke per NFC anpassen.

Versieht man die LEDs zusätzlich mit einer Sekundäroptik, lassen sich das Farbspektrum sowie der Bestrahlungswinkel des Lichts besser kontrollieren. Je nach Dichte der LEDs kann das Licht gebündelt oder gestreut werden, um die Lichtintensitäten zu variieren und den Ansprüchen der jeweiligen Pflanze gerecht zu werden. Eine große Auswahl an Linsen mit unterschiedlichen Strahlencharakteristika bietet zum Beispiel Ledil. Die LEDs des Herstellers sind mit vielen der gängigen LED-Packages kompatibel. So auch mit der Oslon-Familie von Osram.

Die LED-Technik ist erheblich effizienter als herkömmliche Halogenlampen. So nutzen LEDs bis zu 50 Prozent der elektrischen Energie, um sichtbares Licht zu erzeugen. Damit geben sie immer noch rund die Hälfte der aufgenommenen Energie als Wärme ab. Da die LEDs immer kleiner werden und gleichzeitig mehr Energie benötigen, steigt auch die Wärmeentwicklung. Diese beeinflusst die Lebensdauer der LEDs nachhaltig. Diese liegt bei aktuellen Produkten bei 2.000 bis 4.000 Stunden. Zu hohe Temperaturen können zu einem Verlust von bis zu sie bis zu ⅙ davon verlieren. Das entsprechende Thermomanagement trägt dazu bei, die Leistungsfähigkeit der LEDs so lange wie möglich zu erhalten. Damit reduzieren sie auch den Austausch- und Wartungsbedarf während des Betriebes erheblich.

Urban Vertical Farming: Landwirtschaft mit Zukunft

Wenig Platz und viele Menschen: Das ist typisch für eine Metropole. Doch lassen sich in so einer Umgebung Gemüse anbauen, um es frisch zu ernten? Die Antwort ist ja! Gemüse und andere Pflanzen wachsen bei Urban Vertical Farming dank LED-Technik, Wasser und Nährstoffen auf engstem Raum.

Mit einem speziell abgestimmten, schmalbandigen Licht wird die Photosynthese der Pflanzen angeregt. Die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf forscht am Thema Vertical Farming: Zum Beispiel wächst Salat gut temperiert unter LED-Licht, wird optimal bewässert und mit Nährstoffen versorgt. Die Pflanzen wachsen komplett ohne Erde. Ganz frisch: Die Pflanzen lassen sich auch im Supermarkt oder Restaurant anbauen.

Ein Kühlelement sollte individuell gestaltet sein

Eine pauschale Lösung für das Thermomanagement gibt es nicht, da hier zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen sind: Kommen Low-Power-, Mid-Power- oder High-Power-LEDs zum Einsatz? Was für Temperaturen sind zu erwarten? Wie viel Platz steht in der Applikation zur Verfügung? Spielt die Geräuschentwicklung eine Rolle? Unterschieden wird hierbei zwischen passiven und aktiven Kühlelementen. Zu den passiven zählen Kühlkörper und Wärmeleitfolien von Herstellern wie Assmann, Fischer Elektronik oder 3M. Aktive Kühlelemente sind Lüfter und Gebläse, sie werden zum Beispiel von Adda, Delta und Jamicon angeboten.

Kühlkörper werden vor allem nach ihrem Material unterschieden:

  • Strangkühlkörper aus Aluminium sind ideal, wenn relativ viel Wärme effektiv abzuleiten ist. Dank ihres günstigen Preises eignen sich diese Kühlkörper für preiswerte Designs. Die Hersteller bieten außerdem kundenspezifische Lösungen an, so dass ihre Größe genau an die abzuleitende Wärme angepasst ist.
  • Kunststoffkühlkörper sind wärmeleitend, aber elektrisch isolierend und bieten je nach Kunststoffverbund eine hohe Lichtreflexion. Der Kunststoff lässt sich direkt als Gehäuse nutzen, so dass kein zusätzliches Kühlelement erforderlich ist. Dank des reflektierenden Kunststoffs verlieren die Lichtstrahlen nicht an Helligkeit. Kunststoffkühlkörper lassen sich für verschiedene Designs besser verarbeiten. Ähnlich wie Kühlkörper aus Aluminium. Ein Vorteil von Kunststoff ist, dass es im Vergleich zu Aluminium deutlich leichter ist. Kunststoff eignet sich überall dort, wo es auf das Gewicht ankommt.

Ein Füllstoff, der sich besonders gut für die Wärmeübertragung und -ableitung eignet, ist Bornitrid. Das Material ist auch unter dem Namen weißes Graphit bekannt. Das synthetische Material mit Graphit-ähnlicher Struktur ist rein weiß und elektrisch isolierend. Wenn die Verarbeitungseigenschaften aufrechterhalten werden, hat Bornitrid einen Wärmeableitungswert von bis zu 15 W/mK.

Die Kühlfüllstoffe im Bornitrid sind so konstruiert, dass sie sich einfach und in beliebiger Richtung ausrichten lassen. Dadurch kann auch die Richtung bestimmt werden, in die die Wärme abgeleitet wird – sei es vertikal oder horizontal. Bornitrid eignet sich besonders für dünnwandige und komplexe geometrische Formen, entsprechende Kühlkörper bietet Rutronik von 3M. Unabhängig von der Art der Kühlung und vom Material kommen praktisch ausschließlich kundenspezifische Varianten zum Einsatz – zu spezifisch sind die Anforderungen und die räumlichen Gegebenheiten. Umso wichtiger ist professionelle Unterstützung, um die optimale Lösung für die jeweilige Anwendung zu erhalten.

In der ursprünglichen Version haben wir Bornitrid als einen Kunststoff bezeichnet. Das ist nicht korrekt. Es handelt sich um einen Füllstoff aus Bor und Stickstoff.

* Burak Duman, Technical Support Mechanics, Martin Unsöld, Senior Manager Product Marketing Mechanics und Safa Demir, Product Sales Manager Opto. Alle arbeiten bei Rutronik.

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