Effizienzsteigerung bei der Beleuchtung von kommerziellen Gewächhäusern
Angesichts des Klimawandels, der zu Wasser- und Flächenknappheit führt, und der steigenden globalen Nahrungsmittelnachfrage, benötigt die Landwirtschaft dringend innovative Lösungen zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und zur Ertragssteigerung, da sie bereits für über 70 Prozent der weltweiten Süßwasserentnahme verantwortet. Das US-Startup UbiQD (https://www.ubiqd.com/) hat ein spezielles Gewächshausglas entwickelt, das passiv, also ohne zusätzlichen Strom oder mechanische Arbeit, das Pflanzenwachstum (Photosynthese), die Nährstoffaufnahme und die Energieeffizienz signifikant verbessern soll.
Gläser auf Basis von Quantenpunkten (Quantum Dots, QDs) stellen eine innovative Entwicklung in der Gewächshaustechnik dar. Die Technologie zielt darauf ab, das verfügbare Sonnenlicht in ein für das Pflanzenwachstum optimales Spektrum umzuwandeln und damit Ertrag und Nährstoffaufnahme zu verbessern.
Insbesondere der grüne Farbanteil des Sonnenlichts wird von Pflanzen reflektiert (daher erscheinen sie grün) und nicht in gleicher Weise wie andere Anteile des Spektrums für das Wachstum genutzt. Für die Energieumwandlung durch Quantenpunkt-Technologie ist allerdings Licht mit einer höheren Energiestufe (UV) wirkungsvoller.
1. Funktionsweise von Quantenpunkt-Glas (UbiGro-Technologie)
Die Technologie, wie sie beispielsweise das US-Startup UbiQD mit seinem Produkt UbiGro entwickelt hat, basiert auf der spektralen Verschiebung des Sonnenlichts.
Was sind Quantenpunkte?
Quantenpunkte (QDs) sind winzige (Nano-)Partikel aus Halbleitermaterialien.
Sie besitzen die Fähigkeit zur Photolumineszenz, d. h., sie können Licht einer bestimmten Frequenz aufnehmen und Licht einer anderen, längeren Wellenlänge (niedrigeren Energie) wieder abgeben.
Die Farbe des emittierten Lichts kann präzise durch die Anpassung ihrer Größe und Zusammensetzung gesteuert werden. Kleinere QDs emittieren in der Regel blaues oder grünes Licht, größere in gelbem oder rotem Spektrum.
Funktionsweise: Das Quantenpunkt-laminierte Glas absorbiert hochenergetische Lichtanteile der Sonne, insbesondere UV- und blaues Licht. Die Quantenpunkte wandeln diesen absorbierten Teil des Spektrums in niederenergetisches orange-rotes Licht um. Dieses Phänomen wird als "Red-Shifting" bezeichnet, da die Wellenlänge des Lichts in den roten Bereich verschoben wird. Das rot-orange Licht wird in das Gewächshaus abgegeben. Da Chlorophyll rotes Licht am effizientesten in Pflanzenenergie umwandelt, steigert diese spektrale Verschiebung die Photosyntheseeffizienz der Pflanzen. Zusätzlich tragen die Quantenpunkte auch zur Lichtdiffusion bei. Das Licht wird gleichmäßiger in alle Bereiche der Pflanze, auch in die tieferen Schichten (Full-Canopy Absorption), verteilt, wodurch Schattenbildung reduziert wird.
2. Gemessene Vorteile in der kommerziellen Produktion
Wissenschaftliche Studien, wie die von der UC Davis (Universität in Californien, die sich u.a. auf wissenschaftliche Umweltthemen und Landwirtschaft spezialisiert hat), belegen signifikante Verbesserungen in Gewächshäusern, die mit dieser Technologie ausgestattet sind (im Vergleich zu Standard-Gewächshausglas):
Die frische Biomasse und das Pflanzengewicht stiegen um beeindruckende 37% bzw. 40%, was direkt auf einen deutlich höheren Gesamtertrag hindeutet. Diese Steigerungen werden durch eine um 38% vergrößerte Blattfläche begünstigt – was mehr Oberfläche für die Photosynthese bietet – und eine ebenfalls um 38% erhöhte Wurzellänge ermöglicht, die wiederum die Wasser- und Nährstoffaufnahme verbessert. Zentral für diesen Erfolg ist die optimale Ausnutzung des Lichts: Die Tageslichtausbeute im Gewächshaus erhöhte sich um über 40%, während das spektrale Rot-Blau-Verhältnis durch die Farbverschiebung um 61% stieg, wodurch eine für die Photosynthese idealere Lichtzusammensetzung bereitgestellt wird. Als Ergebnis waren die Pflanzen nicht nur größer und ertragreicher, sondern wiesen auch deutlich erhöhte Konzentrationen essenzieller Nährstoffe (wie N, P, K, Mg, Zn, Cu) auf.
Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die Technologie komplett passiv und ohne zusätzlichen Strom- oder Energiebedarf funktioniert. Dies macht sie zu einer klimafreundlichen Gewächshaushülle, die die Ertragssteigerung (Intensivierung) mit der Reduzierung des Ressourcenverbrauchs verbindet.
3. Kommerzielle Anwendung und Herausforderungen
Die Quantenpunkt-Technologie wird bislang vor allem in dem Bereich der LCD-Display-Technik eingesetzt, um die Farbwiedergabe zu verbessern. Für den Gewächshausbereich wird die Farbverschiebungstechnologie als luminiszentes Laminat oder Film angeboten, das entweder direkt als Gewächshausabdeckung (Kunststofffolie) oder als Folie zur Nachrüstung bestehender Glas- oder Kunststoffsysteme dient. Es kann unabhängig von Standort, Kultur oder Wetterbedingungen eingesetzt werden und steigert die Produktion von Kulturen wie Salat, Tomaten und Zierpflanzen.
Aktuelle Entwicklungen und Herausforderungen
Quantenpunkte werden auch in dynamischen QLED-Beleuchtungssystemen für die Indoor-Landwirtschaft eingesetzt, um Lichtfarbe und -intensität aktiv zu steuern (z. B. Crocus Labs). Der Vorteil des UbiQD-Ansatzes liegt in der passiven, stromfreien Optimierung des Lichts.
Historisch gesehen enthielten einige Quantenpunkte das giftige Schwermetall Cadmium. Die Forschung konzentriert sich daher auf die Entwicklung hocheffizienter cadmiumfreier QDs (z. B. auf Basis von Indium oder Silber-Chalcogeniden) für landwirtschaftliche und medizinische Anwendungen.
Die Technologie wird als wichtiger Bestandteil der Präzisionslandwirtschaft (Controlled Eviroment Agriculture) gesehen, da sie die natürlichen Lichtverhältnisse optimiert.
Solarmodule effektiver machen
Auch bei Solarmodulen kann man die für die Halbleiter der Solarmodule nicht nutzbaren UV-Anteile durch Energieverschiebung ins Orange- oder Rotlicht verschieben - eine Option, sie erheblich effizienter zu machen.