LED-Beleuchtung von Fußballrasen

Möglichkeiten, Chancen und Grenzen

Zusammenfassung

Rasenflächen in Fußballstadien müssen zum Teil künstlich beleuchtet werden, da der natürliche Lichteinfall, bedingt durch die hohen Außenwände der Stadien, zu gering ist, um eine ausreichende Beleuchtung der Rasenfläche zu gewährleisten. Diese Beleuchtung wird üblicherweise über Natriumdampflampen realisiert, die jüngsten Entwicklungen in der LED-Technik stellen jedoch attraktive und kostengünstige Alternativen dazu dar. Die von der Firma TSL entwickelten LED-Module wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur Beleuchtung von Stadionrasen untersucht. Dazu wurde Rasen unter kontrollierten Laborbedingungen bei 10 °C kultiviert und mittels LED-Modulen beleuchtet. Wichtige Faktoren waren hierbei die Entwicklung des Rasenwachstums unter verschiedenen Licht-Bedingungen, der Einfluss von Dauerbeleuchtung sowie die Keimungsraten von verschiedenen Rasensaaten. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass der Rasen unter den gewählten Bedingungen über einen Zeitraum von mindestens sechs Wochen zum Wachstum angeregt werden konnte. Alle untersuchten Grassorten haben bereits nach sechs bis sieben Tagen mit der Keimung begonnen und ein positives Wachstum konnte über die Dauer des Versuches nachgewiesen werden. Die vorliegenden Daten zeigen eindeutig, dass die vorhandene LED-Technik zur künstlichen Beleuchtung von Rasenflächen geeignet ist und noch viel Potenzial für zukünftige Verbesserungen bereithält.

 

Summary

It is today necessary to sometimes illuminate the lawns of the soccer fields with artificial light because the very high exterior walls of the playing fields hinder that enough natural light falls on the green. This light is generally provided by sodium vapor lamps or halogen lamps. However, the newest developments in the light-emitting diode (LED) technology offer as well attractive as cheap alternatives. The LED-modules produced by TSL enterprise were tested with special regard to their appropriateness to light the lawns on the soccer fields. For that purpose a lawn was prepared under controlled labor conditions, with 10 °C, and illuminated with LED modules. The most important points in this connection were to observe how grass grows under different light conditions, to determine the impact of a constant illumination and at last to find the germination rates of the different grass seeds. In conclusion it is possible to assert that the growth of the grass on the playing fields can be stimulated under the above-mentioned conditions and over a period of at least six weeks. All the tested grass varieties began to germinate very soon, already six or seven days later, and grow favorably during the whole test period. The information at hand show clearly that the existing existing LED-technology regarding artificial light is suitable for lawns on the playing-fields and has still the potential to improve in the future.

 

Résumé

Il est de nos jours nécessaire d´éclairer d´une lumière artificielle une partie des gazons sur les terrains de football car la lumière naturelle, détournée par les murs élevés qui entourent les terrains de football, n´y suffit plus. Actuellement ce sont les lampes à vapeur de sodium sous haute pression ou lampes halogènes qui, en général, fournissent cet éclairage, quoique les inventions récentes concernant le développement des techniques de fabrication des diodes électroluminescentes offrent des alternatives attractives et bon marché. On a donc testé l´efficacité des lampes à diode électroluminiscente (lampes LED) mises au point récemment par l´entreprise TSL pour assurer l´éclairage des gazons sur les terrains de sport. Pour ce faire on a éclairé avec des lampes LED un gazon maintenu à 10° dans des conditions contrôlées en laboratoire. Les facteurs les plus importants de ces analyses étaient de déterminer la croissance des gazons sous différents éclairages, l´influence d´un éclairage permanent et enfin de déterminer le taux de germination des différentes variétés de gazons. On a également constaté que la pousse des gazons soumis à de telles conditions durant au moins six semaines pouvait être stimulée. Toutes les variétés de gazons testées ont commencé à germer dès le sixième ou le septième jour, et ont eu une croissance continue pendant toute la période des tests. Ces résultats démontrent que, de toute évidence, les techniques actuelles permettent un éclairage des gazons sur les terrains de sport avec une lumière artificielle qui, de surcroît, ont un grand potentiel d´amélioration et de développement à l´avenir.

 

Einleitung

LED-Lampen erfreuen sich seit einigen Jahren wachsender Beliebtheit. Die rasante Entwicklung dieser Leuchtmittel, insbesondere die Möglichkeit, warmweißes Licht mit einer Farbtemperatur unter 3300 K zu generieren, ist insbesondere für Heimanwendungen interessant, während im professionellen Umfeld die steigenden Lichtausbeuten und Wirkungsgrade den Einsatz von LED-Lampen auch aus ökonomischen Gesichtspunkten attraktiv machen (BOURGET, 2008; NELSON und BUGBEE, 2014; SINGH et al., 2015).

 

Es stellt sich jedoch grundlegend die Frage, ob sich der Wechsel auf bzw. der Einsatz von LEDs verglichen mit konventionellen Lampen überhaupt lohnt. Eine pauschale Antwort auf diese Frage kann nicht gegeben werden, da bezogen auf die jeweilige Anwendung eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt werden muss: Welche Helligkeit wird benötigt, spielt die Farbe eine Rolle, wird Infrarotstrahlung benötigt oder gilt es, diese zu vermeiden, ist die Stoßfestigkeit der Leuchtmittel relevant, wie oft werden die Lampen ein- und ausgeschaltet usw.

 

Erschwerend kommt hinzu, dass in den Medien oftmals ein vollkommen falsches Bild von der Effizienz und vom Energiesparpotenzial der LEDs aufgezeigt wird, so ist beispielsweise von einer Energieeffizienz von mehr als ­80 % (also der Umwandlung von 80 % der elektrischen Energie in Licht) die Rede, wobei der realistische Bereich je nach Hersteller und Aufbau bei derzeit 20-30 % anzusiedeln ist – was in etwa der Energieeffizienz moderner Metalldampflampen entspricht (Bourget, 2008). Des Weiteren findet man Aussagen, dass LEDs keine Hitze abstrahlen und die Lichtausbeute wesentlich höher als bei konventionellen Leuchtmitteln ist. Beides ist so nicht korrekt, da LEDs „nur“ eine Energieeffizienz von 20-30 % aufweisen, gehen 70-80 % der Energie in Form von Wärme verloren (CHENG und CHENG, 2006; Bourget, 2008; Tantau, 2013). Im Gegensatz zu Glühbirnen oder Metalldampflampen wird jedoch kaum wärmeerzeugende Infrarotstrahlung emittiert, der Verlust erfolgt überwiegend über das Vorschaltgerät (Bourget, 2008; Nelson und Bugbee, 2013). Was den Punkt der Lichtausbeute angeht, liegen kommerziell erhältliche weiße LEDs mit Metalldampflampen gleichauf (120-180 lm/W) (Pereira et al., 2015; Rauchhaupt, 2014; Tantau 2013). Die Firma Cree hat jedoch bereits in einer Pressemitteilung aus dem Jahr 2014 eine Hochleistungs-LED vorgestellt, die eine Lichtausbeute von 303 lm/W erreicht (CREE, 2014), es besteht also noch ein enormes Entwicklungspotenzial, von dem künftige Anwendungen profitieren werden.

Abb. 1: Absorption von Licht durch Chlorophyll.
Dargestellt sind die Absorptionskurven von Chlorophyll A und B sowie die Farbverteilung einer typischen im Gewächshaus genutzten Natriumdampflampe und der von TSL zur Verfügung gestellten LED-Module. Die grau hinterlegte Fläche entspricht dem Tageslichtspektrum an einem sonnigen Tag in Aachen (Sommer 2016).

 

Welchen Vorteil bei der Beleuchtung von Rasenflächen können LEDs dann bieten, wenn sie sich, bezogen auf die Lichtausbeute und die Energieeffizienz, kaum von Metalldampflampen unterscheiden? Im Gegensatz zu Metalldampflampen kann bei LEDs das Farbspektrum des emittierten Lichtes durch die gezielte Auswahl einzelner Dioden genau definiert werden, was eine effizientere Nutzung des Lichtes ermöglicht. Das Photosystem der Pflanzen verwertet hauptsächlich Licht in einem engen Bereich des blauen und roten Spektrums, während grünes und gelbes Licht überwiegend reflektiert wird – der Grund, warum wir die meisten Pflanzen als grün wahrnehmen. Natriumdampflampen strahlen Licht im gesamten sichtbaren Farbspektrum aus, von dem der größte Teil (ca. 70-80 %) nicht von den Pflanzen genutzt werden kann (Abbildung 1). Bei gleicher Energieeffizienz und Lichtausbeute sind LEDs also 7-8x effizienter als Natriumdampflampen, da ihr Licht auf das Photosystem der Pflanzen angepasst ist. Ein weiterer Unterschied zwischen beiden Systemen ist die Infrarotstrahlung, die umgangssprachlich auch als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Während bei Natriumdampflampen etwa 50 % der eingespeisten Energie in Form von Infrarotstrahlung abgegeben wird, entfällt dies bei LEDs überwiegend (Nelson und Bugbee, 2013). Ist eine zusätzliche Erwärmung der Rasenoberfläche bei niedrigen Außentemperaturen gewünscht oder notwendig, müsste dies bei der Verwendung von LEDs durch zusätzliche Infrarotstrahler realisiert werden, wodurch das Einsparpotenzial deutlich gemindert werden würde. Auf der anderen Seite ist so die Wärme von der Lichtquelle entkoppelt und kann nur bei Bedarf hinzugezogen werden, was insbesondere bei warmen Tagen vorteilig gegenüber Natriumdampflampen ist. Fraglich ist zudem, wie oft im Jahr eine zusätzliche Wärmequelle benötigt wird – dies ist von Standort zu Standort unterschiedlich und muss individuell betrachtet werden.

 

Wie verhält sich Rasen unter LED-Beleuchtung? Um dieser Frage nachzugehen, hat die Firma TSL GmbH (Stolberg, Deutschland) das Forschungsinstitut Fraunhofer IME damit beauftragt, den Einfluss der von ihr entwickelten LED-Beleuchtungsmodule auf das Wachstum von Fußballrasen unter herbstlichen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Konkret sollte festgestellt werden, welcher Abstand der LED-Module zur Rasenoberfläche und welche Beleuchtungsdauer für ein optimales Rasenwachstum notwendig ist. Zusätzlich wurde auch der Frage nachgegangen, welchen Einfluss die LED Beleuchtung auf die Keimung von Rasensaat hat.

 

Material und Methoden

Versuchsaufbau „Beleuchtungs­dauer und Abstand der LED-Module zur Rasenoberfläche“

Jeweils 0,72 m² Rollrasen (Dünnsode ohne Rasentragschicht, von TSL zur Verfügung gestellt) wurde in Aluminiumpflanzschalenschalen (60 cm x 120 cm x 3 cm) auf einer Ton-Granulat Schicht (Seramis GmbH; Mogendorf, Deutschland) ausgelegt und in einer Phytokammer (ILKAZELL Isoliertechnik GmbH; Zwickau, Deutschland) unter einer von insgesamt drei Beleuchtungsapparaturen platziert. Die Beleuchtungseinheit bestehen aus einem wassergekühlten 1000 W Infrarotstrahler (automatische Temperaturregelung), sowie einem 100 W LED-Modul, die Farbzusammensetzung des LED-Moduls ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Phytokammer wurde auf eine konstante Temperatur von 10 °C eingestellt, die Beleuchtung erfolgte durch die TSL LED-Module nach folgendem Schema:

 

  • Versuchsreihe 1 (Woche 1-3): 16 h Licht, 8 h Dunkelphase; Abstand der Module zur Sodenoberfläche von 60 cm.
  • Versuchsreihe 2 (Woche 4-6): 16 h Licht, 8 h Dunkelphase; Abstand der Module zur Sodenoberfläche von 120 cm.
  • Versuchsreihe 3 (Woche 7-9): 8 h Licht, 16 h Dunkelphase; Abstand der Module zur Sodenoberfläche von 120 cm.

 

Die Raumbeleuchtung (Natriumdampflampen) wurde für 2 h pro Tag auf ­20 % der maximalen Beleuchtungsintensität hinzugeschaltet, um den natürlichen Lichteinfall in Fußballstadien zu simulieren. Die Rasenoberflächentemperatur wurde durch Infrarotstrahler konstant bei einer Temperatur von ca. 15 °C gehalten. Die Bewässerung und Düngung des Rasens erfolgte manuell nach Bedarf. Als Dünger wurde FERTY® 2 Mega (Planta Düngemittelbedarf GmbH; Regenstauf, Deutschland) verwendet (0,75 %, Düngeintervall 14 Tage).

 

Alle Versuche wurden in Triplikaten durchgeführt, um biologische Schwankungen auszugleichen. Aus technischen Gründen konnten die verschiedenen Beleuchtungsbedingungen nicht zeitgleich getestet werden und mussten daher sequenziell untersucht werden. Da ebenfalls aus technischen Gründen der Rasen nicht nach jedem Versuch gewechselt werden konnte, wurden alle Versuche mit dem gleichen Rasen durchgeführt. Als Referenz wurden 3 x 0,72 m² Rasen im Gewächshaus ausgelegt (ebenfalls in Aluminiumschalen auf einer Ton-Granulat Schicht) und analysiert. Eine Versuchsreihe umfasste einen Zeitraum von 21 Tagen und wurde in drei Versuche mit je sieben Tagen unterteilt. Am letzten Tag eines Versuches wurde der Rasen auf ca. 2 cm Höhe zurückgeschnitten. Vergleichsmessungen in der Phytokammer ohne LED-Beleuchtung oder nur mit Natriumdampflampen konnten aus zeitlichen wie auch finanziellen Gründen nicht durchgeführt werden.

 

Versuchsaufbau „Dauerbeleuchtung“

Drei Pflanzschalen ((L) 55 cm x (B) 35,5 cm x (H) 8 cm) wurden durch Herrn Vievers (Borussia VfL 1900 Mönchengladbach GmbH) mit Stadionrasen bestückt (Dicksode inklusive Rasentragschicht) und zunächst für eine Woche im Außenbereich des IME zur Akklimatisierung gelagert (herbstliche Temperaturen von 8-14 °C; mäßige Ausleuchtung). Die Feuchtigkeit wurde in regelmäßigen Intervallen überprüft und falls notwendig auf ca. 25 % eingestellt. Die Düngung des Rasens erfolgte im Abstand von jeweils 14 Tagen (250 ml 1 % FERTY® 2 Mega/Schale) über die gesamte Versuchsdauer. Nach der Akklimatisierungsphase wurde eine Schale in die Phytokammer überführt und der LED-Dauerbeleuchtung ausgesetzt. Der Abstand der LED Lampen zur Rasenoberfläche betrug 120 cm und die Kammer wurde auf eine konstante Temperatur von 10 °C geregelt. Die Rasenoberflächentemperatur wurde durch die In­frarotstrahler der Beleuchtungsmodule bei ca. 14 °C gehalten. Nach insgesamt 60 h Dauerbeleuchtung wurde auf den normalen 16/8 h Tag/Nacht-Rhythmus umgeschaltet, zudem wurde die zweite der drei Schalen ebenfalls in der Phytokammer platziert, um im weiteren Experimentverlauf mögliche Einflüsse der Dauerbeleuchtung auf das Wachstum des Rasens ermitteln zu können. Die dritte Schale verblieb als zusätzliche Referenz im Außenbereich des Institutes und wurde weder künstlich beleuchtet noch temperiert. Aufgrund des limitierten Platzangebotes sowie der zur Verfügung stehenden Ressourcen wurden die Versuche nicht in Mehrfachbestimmung durchgeführt. Wie bereits im ersten Versuch beschrieben, wurden die Parameter Biomassezuwachs und Höhenwachstum der Halme über einen Zeitraum von sechs Wochen bestimmt.

 

Versuchsaufbau „Keimung“

In separaten Pflanzschalen ((L) 55 cm x (B) 35,5 cm x (H) 8 cm) wurden auf einem geeigneten Aufbau (Drainage Vlies, Rasentragschicht) verschiedene Kombinationen unterschiedlicher Rasensorten ausgesät, um die Keimungsraten zu bestimmen. Zusätzlich wurden drei Schalen mit Fertig-Rasen zu Referenzzwecken ausgelegt. Die Bestückung der Schalen wurde freundlicherweise von Herrn Vievers übernommen. Die Pflanzschalen wurden in einer Phytokammer bei einer konstanten Lufttemperatur von 10 °C kultiviert. Die Rasenoberflächentemperatur wurde durch die Infrarotstrahler der Beleuchtungsmodule bei ca. 15 °C gehalten. Die Beleuchtung erfolgte durch die TSL-LED Module (16 h Licht, 8 h Dunkelphase) bei einem Abstand der Module zur Rasenoberfläche von 120 cm. Die Raumbeleuchtung (Natriumdampflampen) wurde für 2 h pro Tag auf 20 % der maximalen Beleuchtungsintensität hinzugeschaltet, um den natürlichen Lichteinfall in Fußballstadien zu simulieren. Die Bodenfeuchtigkeit wurde in regelmäßigen Intervallen überprüft und falls notwendig auf ca. 25 % eingestellt. Die Düngung des Rasens erfolgte im Abstand von jeweils 14 Tagen (250 ml­ 1 % FERTY® 2 Mega/Schale) über die gesamte Versuchsdauer.

 

Messungen

Um festzustellen, wie sich die Kultivierung unter den gewählten Bedingungen auf die Parameter Biomasse, Keimungsrate sowie das Wachstum des Rasens (Halm sowie auch Wurzel) auswirkt, wurden nachfolgende Messungen durchgeführt:

  • Bestimmung des Höhenwachstums
    Um das Höhenwachstum des Rasens zu erfassen, wurden Frontalaufnahmen jeder Schale mit Rasen an Tag 0, 2, 5 und 7 jeder Versuchswoche aufgenommen. Mittels Abstandshalter und Stativ wurde sichergestellt, dass die Bilder immer aus dem gleichen Winkel und mit gleichem Abstand aufgenommen wurden. Der Zuwachs wurde per Software (Adobe InDesign, Adobe Systems; San José, CA, USA) in Relation zur Rasenhöhe an Tag 0 bestimmt.
  • Bestimmung des Biomassezuwachses
    Am letzten Tag einer Versuchsreihe wurde der Rasen gemäht (3-in-1 Multi-Trimmer-Set; Black + Decker GmbH; Idstein, Deutschland) und der Schnitt jeder einzelnen Schale separat aufgefangen, für 24 h bei 60 °C getrocknet und anschließend ausgewogen.
  • Bestimmung des Wurzelwachstums bzw. der Halmlänge (Keimungsversuch)
    An den Tagen 13, 22, 30 und 35 wurden kleine Bereiche der Rasenfläche ausgestochen und die Grashalme (5-15) inklusive Wurzel durch vorsichtiges Waschen mit Wasser von der Rasentragschicht befreit, im Anschluss fotografiert und dann vermessen.
  • Bestimmung der Keimungsrate
    Zur Bestimmung der Keimungsrate wurde in regelmäßigen Intervallen ein kreisrunder Bereich von ca. 70 cm² Fläche abgesteckt und die darin eingeschlossenen Keimlinge ausgezählt. Diese Anzahl wurde dann auf die Gesamtfläche der Schale (1.953 cm²) hochgerechnet.
  • Bestimmung des Chlorophyllgehalts
    Zur Messung des Chlorophyllgehaltes in den Grashalmen wurde jede Schale in neun gleiche Bereiche unterteilt, um eine möglicherweise ungleichmäßige Ausleuchtung der einzelnen Schalen zu berücksichtigen. Aus jedem dieser Bereich wurden der Chlorophyllgehalt von jeweils fünf Grashalmen bestimmt (Chlorophyll-Messgerät SPAD-502Plus; Konica Minolta Business Solutions Deutschland GmbH; Aachen, Deutschland) und gemittelt. Die Messung erfolgte immer am letzten Tag einer Versuchswoche, vorherige Messungen waren nicht möglich, da die Halme eine zu geringe Größe für eine fehlerfreie Messung aufwiesen.

 

Ergebnisse und Diskussion

Beleuchtungsdauer und Abstand der LED-Module zur Rasenoberfläche

Ziel der Untersuchungen war es festzustellen, ob Fußballrasen unter niedrigen Temperaturen (10 °C) mit Hilfe der von TSL entwickelten LED-Beleuchtungs- und Infrarot-Temperierungsmodulen zum Wachstum angeregt werden kann. Um das Wachstumsverhalten des Rasens festzuhalten, wurden das Höhenwachstum der Grashalme, der Zuwachs der Biomasse nach sieben Tagen sowie der Chlorophyllgehalt der Grashalme bestimmt. In der Phytokammer wurden die Einstellungen der Beleuchtungseinheit über den Versuchszeitraum wie folgt variiert:

 

  • Versuchsreihe 1 (Woche 1-3): 16 h Licht, 8 h Dunkelphase; Abstand der Module zur Sodenober­fläche von 60 cm.
  • Versuchsreihe 2 (Woche 4-6): 16 h Licht, 8 h Dunkelphase; Abstand der Module zur Sodenober­fläche von 120 cm.
  • Versuchsreihe 3 (Woche 7-9): 8 h Licht, 16 h Dunkelphase; Abstand der Module zur Sodenober­fläche von 120 cm.

 

Bezüglich der Chlorophyllmessungen hat sich gezeigt, dass keine messbaren Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchen oder zum Referenzrasen im Gewächshaus bestehen. Zu berücksichtigen ist allerdings, dass der Blattquerschnitt der Grashalme für die Messung des Chlorophyllgehaltes in den meisten Fällen zu gering war, so dass nur die größten und vitalsten Halme für eine Messung herangezogen werden konnten – die Chlorophyllmessung ist für die verschiedenen Messzeitpunkte und Versuchsbedingungen somit nur bedingt repräsentativ (Daten nicht gezeigt). Um das Höhenwachstum zu ermitteln wurden Fotografien der Kanten der Rasensoden ausgewertet und der Status nach dem Mähen des Rasens sowie nach 2, 5 und 7 Tagen Kultivierungsdauer bestimmt (Daten nicht gezeigt). Die Ergebnisse des Höhenwachstums geben zwar einen guten Überblick über das Wachstumsverhalten des Rasens, Wachstumseinbußen durch Fäulnis oder Stress blieben jedoch, im Gegensatz zur Bestimmung der Biomasse, unberücksichtigt (Daten nicht gezeigt). Durch die Bestimmung der Biomasse (Abbildung 2) wurde das Wachstum des Rasens über die gesamte Schalen-Fläche erfasst. Die Abweichungen zwischen den drei Replikaten eines Messzeitpunktes waren relativ gering und erlaubten damit eine gute Aussage über die Vitalität des Rasens. Die Auswertung des Biomassezuwachses liefert aufgrund dessen die aussagekräftigsten Ergebnisse, die im folgenden Kapitel beschrieben werden, in Abbildung 2 sind die Ergebnisse aller Versuche zusammengefasst.

Abb. 2: Einfluss der Beleuchtungsdauer und Abstand der LED-Module auf den Biomassezuwachs.
Dargestellt sind die gemittelten Ergebnisse der Biomassemessungen sowie des Höhenwachstums der Grashalme an Tag 7 der jeweiligen Versuche. Die Mittelwerte setzten sich aus den Einzelmessungen der Schalen 1-3 (Gewächshaus) sowie der Schalen 4-6 ­(Phytokammer) zusammen. Wochen 1-3 beinhalten die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe (Langtag mit 16 h Beleuchtung, 60 cm Abstand der Lampen zur Sodenoberfläche); die Wochen 4-6 die der zweiten Versuchsreihe (Langtag mit 16 h Beleuchtung, 120 cm Abstand der Lampen zur Sodenoberfläche) und die Wochen 7-9 die Ergebnisse der dritten Versuchsreihe (Kurztag mit 8 h Beleuchtung, 120 cm Abstand der Lampen zur Sodenoberfläche).

 

Der Biomassezuwachs der Referenz-Schalen im Gewächshaus beträgt in den ersten drei Wochen 20±5 g Trockengewicht/Schale, bricht in der vierten Woche jedoch signifikant ein und nimmt ab da konstant ab. Dies ist höchstwahrscheinlich auf eine extreme Hitzeperiode am Ende der dritten/Anfang der vierten Versuchswoche zurückzuführen. Eine Erholung des Rasens konnte hier nicht mehr festgestellt werden. Die Abnahme der Vitalität war auch an den vermehrt auftretenden braunen Stellen in der Rasenfläche festzumachen (Daten nicht gezeigt). In den Schalen, die in der Phytokammer platziert wurden, ist ein kontinuierlicher Anstieg der Biomasse für den Zeitraum von vier Wochen erkennbar. Ab der fünften Woche nimmt der Biomassezuwachs jedoch wieder ab und erreicht an Woche acht sein Minimum. Die Beleuchtungsbedingungen wurden in dreiwöchigen Intervallen geändert und auf den ersten Blick scheint der beobachtete Unterschied durch die Änderungen der Beleuchtungseinstellungen verursacht zu sein. Jedoch widerspricht der Anstieg der Biomasse in Woche drei diesem Eindruck – hier herrschten noch die gleichen Bedingungen wie in den beiden Wochen zuvor, der Anstieg in der Biomasse kann also nicht durch Veränderungen der Lichtbedingungen verursacht worden sein. Auch die Verschlechterung des Biomassezuwachses in der siebten Woche scheint zunächst auf die Veränderung des Beleuchtungsintervalls zurückzuführen zu sein, betrachtet man die Ergebnisse aber im Kontext der vorherigen Werte, so wird in Woche sieben nur der Abwärtstrend fortgeführt, der mit der fünften Woche begonnen hat. Dies deutet zunächst darauf hin, dass die Veränderungen der Beleuchtungseinstellungen in dem untersuchten Bereich keinen direkten Einfluss auf das Wachstumsverhalten des Rasens nehmen.

 

Eine andere Erklärungsmöglichkeit ist, dass der Einfluss der Beleuchtung auf die Biomasse erst verzögert wirkt. So könnte der Anstieg der Biomasse in Woche drei eine verzögerte Reaktion auf die Einstellungen der ersten Versuchsreihe (16 h Licht, 60 cm Lampenabstand) sein, ebenso wie die Verschlechterung in Woche 5 und 6 eine Reaktion auf die Veränderungen der Bedingung (16 h Licht, 120 cm Lampenabstand) nach der dritten Woche sein könnte.

 

Um diese Frage eindeutig klären zu können, müssten jedoch zusätzliche Versuche durchgeführt werden, bei denen der Rasen für einen Zeitraum vom mindestens sechs Wochen unter identischen Bedingungen kultiviert wird. Nur so ließe sich eine mögliche verzögerte Reaktion bzw. Anpassung des Rasens an die vorherrschenden Bedingungen aufklären.

 

Auch der Einfluss der Infrarotlampen auf das Wachstum des Rasens kann nicht näher betrachtet werden, da aus technischen Gründen keine Vergleichsmessungen ohne Infrarotbestrahlung durchgeführt werden konnten.

 

Konkrete Aussagen, welche Beleuchtungsintervalle oder welcher Abstand der Lampen zur Rasenoberfläche die besten Ergebnisse erzielen, können auf Grund dessen nicht getroffen werden.

 

Abschließend kann festgehalten werden, dass es mithilfe der TSL-Beleuchtungsmodule möglich war, Fußballrasen über einen Zeitraum von mindestens sechs Woche unter klimatisch extremen Bedingungen zu kultivieren und zum Wachstum anzuregen. Der Rasen wies dabei eine satte grüne Farbe und ein allgemein vitales Erscheinungsbild auf.

 

Dauerbeleuchtung

Im Stadionbetrieb werden aus praktischen Gründen üblicherweise extrem lange Zeiten (>24 h) zur Beleuchtung der Rasenfläche gewählt, da die Beleuchtungsmodule nicht die gesamte, sondern nur Teile der Rasenfläche ausleuchten können. In einem relativ simplen Versuch sollte der Einfluss einer extrem langen Beleuchtungsphase von 60 h auf das kurz- wie auch langfristige Wachstum des Rasens untersucht werden. Im Anschluss an die Dauerbeleuchtung wurde das Licht auf den normalen 16/8 h Tag/Nacht-Rhythmus umgeschaltet. Als Kontrolle wurde Rasen im Außenbereich des Instituts (normale Wetterbedingungen, keine zusätzliche Beleuchtung) wie auch in der Phytokammer (ohne Dauerbeleuchtung) untersucht.

Abb. 3: Einfluss von Dauerbeleuchtung auf den Biomassezuwachs.
Dargestellt sind die Messwerte der Biomassebestimmung sowie des Höhenwachstums am jeweils siebten Tag einer Versuchswoche über den gesamten Versuchszeitraum von sechs Wochen.

 

Zu Beginn der Versuchsreihe weist der Rasen, welcher initial 60 h Dauerlicht ausgesetzt worden ist, einen deutlich gesteigerten Biomassezuwachs (Abbildung 3) wie auch Höhenwachstum im Vergleich zu den beiden Referenzen auf. Dieser Zuwachs relativiert sich jedoch schon ab der zweiten Woche, im weiteren Versuchsverlauf sinkt der Biomassezuwachs sogar unter den der beiden Kontrollen. Das Höhenwachstum ist davon weniger betroffen, zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Rasensode aus mehreren verschiedenen Gräserarten zusammengesetzt ist und dies bei der Bestimmung des Höhenwachstums nicht erfasst wird. Die Kontrolle, die nicht dem initialen Dauerlicht ausgesetzt worden ist, zeigt ein konstantes Verhalten in Bezug auf die Biomasse, über den gesamten Versuchszeitraum gibt es nur minimale Schwankungen. Der Rasen, der im Außenbereich des Institutes gelagert worden ist, zeigt ein sehr veränderliches Wachstumsverhalten, welches gut mit den jeweils vorherrschenden Wetterbedingungen korreliert: Bei kühlem und regnerischem Wetter sind der Biomassezuwachs und das Höhenwachstum geringer, bei milderen Temperaturen und weniger Regen nimmt die Biomasse hingegen wieder zu.

 

Betrachtet man nur das Höhenwachstum, zeigen alle drei Rasensoden ein ähnliches Verhalten, wenn auch mit unterschiedlichen Absolutwerten. Zu Beginn der Versuchsreihe nimmt das Höhenwachstum noch zu, doch bereits ab der dritten/vierten Woche sinken die Werte. Zum Ende der Versuchsreihe nach sechs Wochen liegen die Werte sogar unterhalb der jeweiligen Start-Werte.

 

Die Frage, ob eine Verlängerung der Beleuchtungsdauer einen nachhaltigen Einfluss auf das Wachstumsverhalten des Rasens hat, kann hier nicht eindeutig geklärt werden, da die Anzahl der Versuche zu gering war, um potenzielle Ausreißer erfassen zu können.

 

Dennoch lässt sich eine gewisse Tendenz beobachten, vor allem wenn man die konstanten Ergebnisse der LED-Kontrolle berücksichtigt. Demnach kommt es direkt nach der Dauerbeleuchtung zu einem Anstieg der Biomasse, die aber, nach Umstellung auf „normale Beleuchtung“, wieder auf das Niveau der Referenz abfällt bzw. sogar unterschreitet.

 

Dies deutet auf einen gewissen Stress bei den Pflanzen hin, was jedoch durch den Wegfall der „Dunkelphase“ nicht überraschend ist. Wie weit die Tagphase verlängert werden kann, ohne einen dauerhaft negativen Einfluss auf das Wachstum des Rasens zu haben, kann aus den vorliegenden Daten allerdings nicht abgeschätzt werden.

 

Keimungsrate und Wurzelwachstum

Im letzten Versuch wurde der Einfluss der künstlichen LED-Beleuchtung (16/8 h Licht/Dunkel) sowie der Oberflächentemperierung durch die Infrarotstrahler (15 °C) auf die Keimungsrate verschiedener Gräserarten und -sorten bei klimatisch ungünstigen Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur 10 °C) untersucht (Abbildung 4).

Abb. 4: Keimungsrate verschiedener Gräserarten und -sorten.
Zur Bestimmung der Keimungsrate wurde ein definierter Bereich von 69 cm² abgesteckt und die darin befindlichen Keimlinge ausgezählt und auf die Fläche der gesamten Pflanzschale hochgerechnet. Die erste Keimung wurde bereits sechs Tage nach der Aussaat festgestellt. Zum Teil bestehen erhebliche Unterschiede bezüglich der Keimungsrate zwischen den einzelnen Arten, daher wurde die Y-Achse zur besseren Lesbarkeit in zwei unterschiedliche Skalenbereiche (0 - 500 und 500 - 6.000) unterbrochen.

 

Wie nachfolgend aufgelistet, wurden aus unterschiedlichen Grasarten und -sorten sieben verschiedene Saatgutvarianten kreiert (nachfolgend aufgelistet).

 

Dafür wurden die Samen in ca. 1 cm tiefe Löcher sowie auf der Oberfläche der Tragschicht ausgesät Die Auswahl der Arten und Sorten sowie die Aussaat in Pflanzschalen erfolgte durch Herrn Georg Vievers.

 

Saatgutvarianten:

  1. Lolium perenne COLOSSEUM (behandelt mit Quickstart)
  2. Lolium multiflorum
  3. Lolium perenne DOUBLE
  4. 25 % Lolium perenne CONCERTO;
    25 % Lolium perenne BELLEVUE;
    25 % Lolium perenne ELEGANA;
    25 % Lolium perenne SIRTAKY
  5. 50 % Lolium perenne DOUBLE (mit Headstart und Proradix behandelt);
    20 % Lolium perenne BAREURO;
    10 % Lolium perenne LORETTANOVA;
    10 % Lolium perenne VESUVIUS;
    10 % Poa pratensis YVETTE
  6. 30 % Lolium perenne DOUBLE (mit Headstart und Proradix behandelt);
    20 % Lolium perenne VESUVIUS;
    20 % Lolium perenne LORETTANOVA;
    15 % Lolium perenne COLUMBINE;
    15 % Lolium perenne BAREURO
  7. 40 % Poa pratensis LINARES;
    40 % Poa pratensis JOKER;
    10 % Lolium perenne EURODIOMOND;
    10 % Lolium perenne VESUVIUS

 

Die sieben Schalen wurden in der Phytokammer bei den zuvor genannten Bedingungen platziert. In regelmäßigen Abständen wurden die Keimungsrate sowie das Höhen- und Wurzelwachstum der einzelnen Gräser bestimmt. Im Gegensatz zur vorherigen Versuchsreihe wurde der Rasen während der Versuchsdauer nicht geschnitten.

 

Die Auswertung der Messwerte (Abbildung 4) hat sehr unterschiedliche Ergebnisse für die einzelnen Pflanzschalen bzw. die unterschiedlichen Kombinationen der verschiedenen Rasenarten geliefert. Beispielsweise zeigt Lolium perenne COLLOSSEUM (behandelt mit Quickstart; Variante 1) ­die beste Keimungsrate, befindet sich jedoch bezüglich Wurzelwachstum wie auch Halmlänge (Abbildung 5) eher im Mittelfeld verglichen mit anderen Grasarten. Auch zeigen die verschiedenen Sorten deutliche morphologische Unterschiede (Abbildung 6) hinsichtlich der Wurzel bzw. Halmverzweigung auf.

 

Zunächst sind jedoch nur die Samen, die sich in den eingestanzten Löchern befunden haben gekeimt; das Saatgut, welches auf der Tragschicht lag, ist erst im späteren Verlauf gekeimt – aufgrund des Überwuchses durch die bereits gekeimten Gräser konnte dies jedoch nicht quantitativ erfasst werden. Auffällig ist außerdem, dass an Tag 35 überwiegend eine Reduzierung der Wuchshöhe zu beobachten ist (Abbildung 5). Dies ist wahrscheinlich auf die spätere Keimung der auf der Oberfläche befindlichen Samen zurückzuführen.

Abb. 5: Wurzel- und Halmlänge.
13, 22, 30 und 35 Tage nach der Aussaat wurde ein kleiner Teil der Tragschicht ausgestanzt, das Trägermaterial vorsichtig mit Wasser abgespült und die Länge der Wurzeln ausgemessen. Jedes Symbol steht für den Mittelwert aus 5 (Tag 13 und 22) bzw. 15 Einzelwerten (Tag 30 und 35).
Abb. 6: Morphologische Betrachtung der Rasenhalme und Rasenwurzeln.
Sowohl innerhalb der verschiedenen Saatgutvarianten, als auch zwischen diesen sind teilweise starke morphologische Unterschiede bezüglich Halmlänge, Wurzellänge, Wurzelstruktur und Halmausbildung zu erkennen.

Allgemein kann die Aussage getroffen werden, dass alle untersuchten Saatgutvarianten bereits nach sechs bis sieben Tagen unter diesen speziellen Bedingungen mit der Keimung begonnen haben und ein positives Wachstum über die Dauer des Versuches nachgewiesen werden konnte.

 

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei Herrn Georg Tsivikis für die Finanzierung der vorliegenden Arbeiten sowie bei Herrn Georg Vievers für die praktische Unterstützung bei der Durchführung der Versuche.

 

Literatur

BOURGET, C.M., 2008: An Introduction to Light-Emitting Diodes. Hortscience 43(7): 1944-46.

CHENG, Y.K. and K.W.E. CHENG, 2006: General Study for Using LED to Replace Traditional Lighting Devices. 2006 2nd International Conference on Power Electronics Systems and Applications. doi:10.1109/pesa.2006.343093.

CREE, 2014: Cree First to Break 300 Lumens-Per-Watt Barrier. www.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2014/March/300LPW-LED-barrier.

NELSON, J.A., and B. BUGBEE, 2013: Spectral Characteristics of Lamp Types for Plant Biology. Poster session presented at: NCERA.

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Autoren:

Dr. Stefan Rasche, Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME, Forckenbeckstraße 6, 52074 Aachen, stefan.rasche (at) ime.fraunhofer.de und Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials, Maastricht University, P.O. Box 616, 6200MD Maastricht, Niederlande

Christian Schmitz, M. Sc. Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials, Maastricht University, P.O. Box 616, 6200MD Maastricht, Niederlande

Natalia Jablonka, M. Sc.Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME, Forckenbeckstraße 6, 52074 Aachen

Prof. Dr. Stefan Schillberg, Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME, Forckenbeckstraße 6, 52074 Aachen und Justus-Liebig University Giessen, Institute for Phytopathology and Applied Zoology, Phytopathology Department, Heinrich-Buff-Ring 26-32, 35392 Giessen

 

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