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Grow LED 1/3 – Bedürfnisse von Cannabis ans Lichtspektrum

Das Titelbild zeigt die Greenception Series X Highend Cannabis Grow LED. 

Die Cannabispflanze ist eine der vielfältigsten Pflanzen, die es auf diesem Planeten gibt. Man kann sie zum Zweck des Rausches konsumieren oder zur Heilung und Linderung verschiedener Krankheiten und Symptome. Man kann die Fasern der Pflanze sogar zu Papier verarbeiten, um die amerikanische Unabhängigkeitserklärung darauf zu schreiben. Oder Kleidung daraus herstellen oder sein Haus dämmen. Doch am Anfang liegt stets ein kleiner Cannabis-Samen vor Dir oder Deinem Züchter. Bis aus diesem kleinen Winzling eine bis zu vier Meter hohe Pflanze mit dicken Blüten wird, ist noch einiges zu erledigen. Was genau, könnt ihr in unserem zukünftigen Grow Guide nachlesen. An dieser Stelle soll es lediglich um eine der wichtigsten und die wohl komplexeste Komponente gehen: Die Lampe, das Licht. In die gesamte Komplexität dieses umfangreichen Themas führen wir Dich auf dieser Seite ein, denn Licht ist längst nicht gleich Licht und die Pflanze sieht das Thema auch komplett anders als wir Menschen. Im wahrsten Sinne des Wortes.

PAR-Spektrum Cannabis

SL: Der Graph zeigt, bei welchen Lichtwellenlängen (Farben) der Mensch am hellsten sehen kann.

PAR: Der Graph zeigt, bei welchen Lichtwellenlängen (Farben) Pflanzen am hellsten sehen kann.

Die Zukunft der Cannabis-Beleuchtung heißt LED

Da wir von Research-Gardens schon voll in der Zukunft angekommen sind und die Natur und Deine Stromrechnung im Blick haben, gibt es in diesem Beitrag ausschließlich LEDs zu bestaunen. Denn die kleinen Halbleiter sind zum einen sehr effizient in der Stromnutzung, zum anderen können sie die von den Pflanzen benötigten Lichtarten exakt abbilden. Das heißt, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtmitteln von LEDs keine übermäßige Abwärme erzeugt wird und exakt das Licht auf die Pflanzen scheint, was sie auch am produktivsten verwenden können.

Nachhaltigkeit ist Trumpf

Auch der deutsche Naturschutzbund NABU empfiehlt LEDs, denn sie sind quecksilberfrei und überstehen häufiges An- und Ausschalten ohne Probleme über eine sehr lange Zeit. Ihr müsst bei Verwendung einer LED in eurer Cannabis-Anbau-Operation zudem keine energiefressenden Kühlelemente installieren, denn im Gegensatz zu herkömmliche Lampen erzeugen LEDs deutlich geringere Temperaturen und die gefährliche 30-Grad-Marke wird im Vergleich zu NDL- Lampen erst deutlich später erreicht.

Wellenlängen und Lichtfarben als Schlüssel zum richtigen Licht für optimale Cannabis-Pflanzen

Wenn wir über Pflanzenbeleuchtung sprechen, sollten wir zuerst die genauen Bedürfnisse von Pflanzen an Licht analysieren. Dabei nehmen wir für den Aspekt Licht die Sonneneinstrahlung als Referenz zur Hand, denn an das Lichtspektrum und die Intensität des Sonnenlichtes haben sich alle Pflanzen über Millionen Jahre evolutiv angepasst und mit Hilfe der Ausprägung spezieller Merkmale optimal zunutze gemacht. Zu solchen Merkmalen gehört zum Beispiel das Schwamm- und Palisadengewebe, wo die Photoplasten aus Licht Energie gewinnen.

Wavelengths over day

Den Anfang macht eine Darstellung des von der Sonne erzeugten Lichtspektrums mit entsprechenden Intensitäten Mittag und Abends:Quelle: GICON

Dieses Licht kommt irgendwo auf der Erde an. Sehr gut erkennbar ist ein effektiv von der Sonne abgestrahltes Spektrum von unter 400nm Lichtwellenlänge bis über 800nm. Das Spektrum reicht vom unsichtbaren UV-Licht über blau, grün und rot bis hin zum unsichtbaren Infrarot-Licht. Sehr gut zu erkennen ist auch, dass sich die Lichtintensität je nach Tageszeit, bedingt durch unterschiedliche Einstrahlwinkel der Sonne über den Tageszeitenverlauf, stark unterscheidet. Auch die Intensitäten einzelner Wellenlängen im Vergleich zueinander verändern sich über den Tagesverlauf. Wir behalten diese Beobachtungen im Hinterkopf.

Doch nicht alles Licht, was auf der Erde ankommt, wird von der Pflanze auch gleichermaßen genutzt.

In dieser Thematik hat ein gewisser McCree bereits in den 70er Jahren Untersuchungen angestellt, um zu beurteilen, bei welchen Wellenlängen ein Blatt Photosynthese-Aktivität zeigt und wie stark Photosynthese betrieben wird. Dabei hat McCree mit Hilfe von Lichtfiltern die Blätter mit isolierten Wellenlängen des natürlichen Lichtspektrums bestrahlt und die Stärke der Photosynthese jeweils durch die Menge aufgenommenen CO2s für jede einzelne Lichtfarbe einzeln quantifiziert (gemessen).

CO2, Kohlenstoffdioxid, benötigt eine Pflanze als Ausgangsstoff für die Photosynthese und mit Hilfe der effektiv verarbeiteten Kohlenstoffdioxid-Menge lässt sich einschätzen, in welchem Maße eine Pflanze Photosynthese betreibt.

Herausgekommen ist das „Photosynthetische Aktions-Spektrum“, in untenstehender Grafik an zweiter Stelle zu sehen. Parallel zum Aktions-Spektrum hat man die beiden Pigmente im Blatt untersucht, welche man als verantwortlich für die Photosynthese zeichnete, um das sogenannte Absorptions-Spektrum zu ermitteln. Chlorophyll A und B. Dazu hat man gemessen, welche Wellenlängen wie stark von den isolierten Pigmenten (Chlorophyll A und B) aufgenommen werden. Später wurde dann auch das Pigment Carotinoid entdeckt, welches regulierende und ebenfalls absorbierende und damit energiegewinnende Aufgaben im Rahmen der Photosynthese übernimmt.

peaks chlorophyll A and B sun radiation photosynthesis

Es ist gut zu erkennen, dass sowohl das Absorptions-, als auch das photosynthetische Aktionsspektrum Blau- und Rot-Anteile besonders effizient nutzen.

Nice to know an der Stelle: Weil grünes Licht weniger effizient verwertet wird und nicht in dem Maße wie rotes und blaues Licht absorbiert werden kann, wird ein gewisser Anteil des grünen Lichtes reflektiert und die Blätter erscheinen uns grün. Diese Beobachtung nennt die Fachwelt auch Grünlücke.

Gut zu wissen: Während die Pflanze vor allem blaues und rotes Licht „sieht“, haben wir Menschen unseren Höhepunkt genau gegenläufig, unsere Augen nehmen grünes Licht vergleichsweise besonders stark wahr und rotes und blaues schwächer. Da unterscheiden sich Menschen von Pflanzen.

PAR-Spektrum Cannabis

Aus diesen Gründen sollten wir jedoch auch grünes Licht bei der Pflanzenbeleuchtung ernst nehmen:

In der Vergangenheit wurde von vielen LED-Lampenherstellern besonders das Absorptionsspektrum zur Grundlage der Entwicklung eigener Lampen zur Rate gezogen. Ein fahrlässiger Fehler, wie einige Analysenbestehender Forschungen zeigen:

Photosynthese grünes Licht hilfreich Cannabis
Quelle

Diese Darstellung zeigt sehr gut, dass es einen großen Unterschied macht, ob man Pigmente isoliert untersucht, oder die gesamte Pflanze, wobei in letzterem Fall die Beziehungen zwischen den einzelnen Pigmenten und deren Molekülen erhalten bleiben. „Whole Leaf“ in linkem Diagramm zeigt sehr deutlich, dass die Pflanze auch Licht des grünen Spektrums zu 70% absorbiert. Die rechte Darstellung untermauert diese Beobachtung, indem sie darstellt, dass komplexe Kulturpflanzen („Crop plants“) wie Cannabis, Bohnen oder Mais das grüne Licht fast in dem Maße wie blaues Licht für die Photosynthese nutzen. Als Vergleich wird die nur zwei Zellschichten dünne Grünalge „Ulva“ zur Rate gezogen, welche das grüne Spektrum kaum photosynthetisch nutzt, von ihrem Aufbau jedoch viel eher den isolierten Pigmenten der ersten Experimente gleicht.

Wichtig ist das Detail isolierte Pigmente und die sehr geringe Dicke der Grünalge. Denn ein großer baulicher Unterschied von Kulturpflanzen zu isolierten Pigmenten und der dünnschichtigen Ulva ist die Blattdicke. Grünes Licht wird nämlich besonders von den tieferen Blattschichten, dem Mesophyll, absorbiert. Das geschieht zum Zwecke der Schadensverhinderung auf zellulärer Ebene und um das natürlich auftreffende Sonnenlicht möglichst effizient über das gesamte Lichtspektrum zur Energiegewinnung mittels Photosynthese auszunutzen. Wie gesagt, Pflanzen haben über die letzten 4 Milliarden Jahre kontinuierlich an ihrer Anpassung an das natürlich vorkommende Sonnenlicht gearbeitet.

mesophyll stomata palisade schwammgebewe cannabis leaf blatt

Quelle

PAR und MAR-Spektrum

Rotes, grünes und blaues Licht wird von der Pflanze nicht nur unterschiedlich effizient aufgenommen, sondern wird auch spektralspezifisch für bestimmte Funktionen innerhalb der Pflanzen-Entwicklung genutzt. Dietmar Prucker von der Fachhochschule Weihenstephan hat mittels einer Literatur-Auswertung folgende Einflüsse verschiedener Wellenlängen auf das Pflanzenwachstum herausgestellt:

  • UV-B (230-320nm) und UV-A (320-380nm):
    • verringerte Wuchshöhe, geringere Biomasse, abnehmendes Blattvolumen
  • Blau (380 – 500nm)
    • Photosyntheseaktivität, bisher nicht näher bestimmter Einfluss aufs Streckenwachstum
  • Grün (500 – 600nm)
    • Photosynthese in tiefen Blattschichten über Carotinoide
  • Hellrot (600-700nm)
    • Photosynthese,Verminderung des Streckenwachstums (kompakter Wuchs), Verhinderung der Blütebildung bei Kurztagspflanzen (worunter Cannabis zählt)
  • Nah-Infrarot (700 -775nm)
    • Verstärkte Blütenbildung bei Kurztagspflanzen (gegenteilige Wirkung von Hellrot), Förderung des Streckungs- und Blattflächenwachstums

Für das photosynthetisch genutzte Licht hat man auf Grund dieser Beobachtungen das sogenannte PAR-Spektrum (photosynthetisch aktives Spektrum, Parallelen s. oben) und das MAR-Spektrum (morphologisch aktives Spektrum, morphologisch = individuelle Merkmalsausprägungen) eingeteilt. Besonders die Randbereiche des Vollspektrums, also UV- und Infrarot-Licht/ Tiefrot fallen in den MAR-Bereich, während der Bereich des sichtbaren Lichts, der photosynthetisch genutzt wird, unter den PAR-Bereich fällt.

MAR spectrum PAR Spectrum differences

Auswirkungen verschiedener Licht-Spektren auf Cannabis-Pflanzen

Zwar gibt es noch keine 100% wissenschaftlich gesicherten Daten zum Thema Lichtspektren und Cannabis. Die Feldforschung bei unseren Kunden im medizinischen Bereich, beim Anbau von CBD oder wo es für den Freizeitgebrauch bereits erlaubt ist, erscheinen jedoch vielversprechend. Wir erlauben uns deshalb, die obenstehende Auflistung der Effekte der verschiedenen Lichtspektren noch einmal spezifisch für Cannabis auszuführen:

  • UVC (100 – 290nm):
    • Von der Atmosphäre natürlich gefiltert
    • Führt zum sicheren Zelltod durch Zerstörung von DNA
      • Wird deshalb als Infektions-Mittel zur Zerstörung von Pilzsporen und Bakterien eingesetzt
  • UV-B (230 – 320nm):
    • Bei zu hoher Bestrahlung zerstört UV-B DNA-Zellen und führt damit langsam zum Zelltod
    • Wird zum Großteil von der Atmosphäre gefiltert, erreicht jedoch beim höchsten Stand der Sonne am Mittag messbare Strahlungsintensitäten
    • Regt Sonnenbrand-Mechanismen an: Cannabis-Pflanzen schützen sich durch die Produktion von Cannabinoiden wie THC in den Trichomen.
      • Somit erhöht sich unter UV-B der Trichom-Anteil der Pflanze. Interessant ist vor allem, dass Untersuchungen gezeigt haben, dass UV-Stress THC-Werte deutlich steigern lässt, wohingegen CBD-Werte nur marginal mit steigender UV-Strahlung steigen. Bei CBD-Genetiken steigt jedoch merklich der Terpen-Anteil, wenn die Pflanzen UV-Licht ausgesetzt sind.
  • UV-A (320 - 400nm):
    • Um 380nm wird UV-Strahlung von der Atmosphäre kaum noch gefiltert und wirkt auch deutlich weniger zerstörerisch bezogen auf DNA. UV-A-LEDs haben zudem deutlich längere Lebensdauern als UV-B und UV-C-LEDs. Damit sind sie die Rundum-Sorglos-Empfehlung für alle Freunde gesteigerter Wirkstoff-Konzentrationen durch Auslösung natürlicher Sonnenbrand-Mechanismen, ohne dass dabei gefürchtet werden muss, dass die Pflanzen den Zelltod sterben.
    • Ein netter Effekt von UV-A-Strahlung hat sich zudem bei der Bewurzelung von Stecklingen gezeigt, wo die Nah-UV-Strahlung für schnelleres und üppigeres Wurzelwachstum sorgt.
  • Blau (380 – 500nm)
    • Blaues Licht, insbesondere Tiefblaues Licht um 450nm, hat sich im Einsatz mit Cannabis als streckungshemmend gezeigt. Das „Spargeln“ von Pflanzen, also besonders hohe Internodien-Abstände (Distanz zwischen zwei Astgabeln), kann mit blauem Licht in den Griff bekommen werden. Ein hoher Blauanteil sorgt also für kompakt wachsende Pflanzen und eignet sich somit für Umgebungen, wo die Deckenhöhe begrenzt ist. Somit wird blaues Licht oft bei der Jungpflanzenaufzucht oder in der vegetativen Phase eingesetzt. Kunden von uns im industriellen Maßstab führen diese Phasen oft in mehrstöckigen Regalen durch, wo der gedrungene Wuchs sehr zum Vorteil ist.
    • Blaues Licht wird, wie oben betrachtet, besonders effizient zur Photosynthese genutzt. Blaues Licht führt also pauschal gesehen zu hohen Erträgen bei möglichst niedrigem Stromverbrauch.
  • Grün (500 – 600nm)
    • Photosynthese in tiefen Blattschichten über Carotinoide. Besonders Cannabis-Pflanzen haben nach einem kurzen Hype rot-blauer LEDs ihre Vorliebe für ein sonnenechtes, weißes Licht gezeigt. Weißes Licht enthält zwangsweise grün und dieses Grün wird besonders in den tieferen Blattschichten in Photosynthese-Energie umgewandelt. Dichte Pflanzungen mit hohen Pflanzen profitieren also besonders stark von grünem (anteilig am weißen) Licht.
  • Rot (600-700nm -> 660nm)
    • Bei rotem Licht nutzen Pflanzen die Lichtenergie am besten für die Photosynthese. Eine zu schnelle Blüte-Einleitung wird durch einen hohen hellroten Anteil am Licht verhindert, was auch zu einem kompakteren Wuchs führt. Eher einfach gesagt ist Licht im roten Bereich eines der energetischsten Lichtarten, weil es durch die langen Wellenlängen auch mehr Strahlungswärme als blaues Licht erzeugt.
    • In dieser Studie hat sich zudem herauskristallisiert, dass ein Rot-Blau-Verhältnis von 7:2 die höchsten Cannabinoid-Werte hervorgebracht hat, höher als beispielsweise 6:2 oder 5:2 Rot-Blau-Verhältnis.
  • (Nah)-Infrarot (700 -800nm)
    • Bei Zunahme des Infrarot-Lichtes am Gesamtspektrum wird die Blüte-Einleitung gefördert, durch das Phänomen der Schattenflucht jedoch auch das Streckungs- und Blattflächenwachstum. In beengten Pflanzungen kann dies zu Problemen führen.
    • Ein interessanter, wenn auch noch nicht weitreichend belegter Sachverhalt beim Einsatz von Infrarot ist die Verkürzung der Blütephase um bis zu eine Woche. Somit sind beim Einsatz von Infrarot-Licht ökonomische Vorteile auszumachen. Um diese Vorteile zu erreichen, genügt es, das Infrarot-Licht isoliert vor Anschalten der gesamten Lampe und nach Ausschalten der gesamten Lampe für etwa 15 – 30 Minuten allein brennen zu lassen.

 

Als Zwischenfazit und kostenlose Unternehmensberatung für Grow-LED-Hersteller können wir an der Stelle folgende Eckpunkte festhalten:

  • Nutz-Pflanzen verwerten sämtliche Lichtarten von UV bis Infrarot.
  • Grünes Licht wird weniger effizient verwertet als rotes und blaues Licht, jedoch deutlich besser als vor einiger Zeit angenommen
  • UV-Licht und Infrarot modulieren, wie eine Pflanze wächst, nehmen also Einfluss auf Höhenwachstum, Blüteausbildung und allen voran: Erhöhung der Wirkstoff-Konzentrationen.