UV-zu-Rotlicht-Umwandlungsfolien beschleunigen das Pflanzenwachstum und könnten dazu beitragen, die Probleme der globalen Nahrungsmittelversorgung zu verbessern

Ein interdisziplinäres Team der Fakultäten für Ingenieurwesen und Landwirtschaft der Universität Hokkaido und des Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) hat eine auf Europium basierende Dünnschichtbeschichtung entwickelt, die nachweislich sowohl das Pflanzen- als auch das Baumwachstum beschleunigt. Diese Technologie kann die Geschwindigkeit der Pflanzenproduktion verbessern und hat das Potenzial, zur Lösung globaler Probleme der Nahrungsmittelversorgung beizutragen.

Pflanzen wandeln sichtbares Licht über einen Prozess namens Photosynthese in Energie um. Sonnenlicht enthält neben sichtbarem Licht auch ultraviolettes (UV) Licht. Die Forscher in dieser Studie zielten darauf ab, Pflanzen mit zusätzlichem sichtbarem Licht für die Photosynthese zu versorgen, indem sie ein wellenlängenkonvertierendes Material (WCM) verwendeten, das das UV-Licht in rotes Licht umwandeln kann.

Die Forscher entwickelten ein WCM auf Basis eines Europiumkomplexes und stellten eine Dünnfilmbeschichtung her, die auf handelsübliche Kunststofffolien aufgebracht werden kann. Sie zeigten nicht nur, dass die Folie UV-Licht in rotes Licht umwandelt, sondern auch, dass die Folie das nützliche sichtbare Licht der Sonne nicht blockiert. Die Folie wurde dann getestet, indem das Pflanzenwachstum unter Verwendung von Folien mit und ohne WCM-Beschichtung verglichen wurde. Versuche wurden sowohl mit Schweizer Mangold, einer pflanzlichen Pflanze, als auch mit japanischen Lärchen durchgeführt.

Im Sommer, bei langen Tagen und starker Sonneneinstrahlung, wurde beim Mangold kein signifikanter Unterschied bei der Verwendung der WCM-Folien festgestellt. Im Winter jedoch, wenn die Tage kürzer und das Sonnenlicht schwächer ist, zeigten Mangoldpflanzen, die mit den WCM-Folien gewachsen wurden, nach 63 Tagen eine 1,2-mal größere Pflanzenhöhe und eine 1,4-mal größere Biomasse. Die Forscher führten dieses beschleunigte Wachstum auf die erhöhte Zufuhr von rotem Licht durch die WCM-Filme zurück.

Versuche mit japanischen Lärchen zeigten ebenfalls ein beschleunigtes Wachstum. Sämlinge zeigten in den ersten 4 Wachstumsmonaten eine höhere relative Wachstumsrate, was zu einem 1,2-fach größeren Stammdurchmesser und einer 1,4-fach größeren Gesamtbiomasse führte als Bäume, die ohne die WCM-Beschichtung gezüchtet wurden. Entscheidend ist, dass die Setzlinge dadurch innerhalb eines Jahres die Standardgröße für die Anpflanzung in der Forstwirtschaft von Hokkaido erreichten. Die Verwendung von WCM-Folien könnte die Wachstumszeit von Sämlingen von zwei Jahren auf ein Jahr verkürzen, was zu einer kosteneffizienteren Pflanzenproduktion führt.

Diese Technologie hat auch das Potenzial, bei Fragen der Ernährungssicherheit in kälteren Klimazonen zu helfen, und ist vorteilhaft, da für ihren Betrieb kein Strom benötigt wird. Als besonders vielversprechend sehen die Forscher die Anpassbarkeit der Technologie.

„Durch die Verwendung einer Beschichtung aus wellenlängenänderndem Material konnten wir erfolgreich einen transparenten Film herstellen und seine Fähigkeit demonstrieren, das Pflanzenwachstum zu beschleunigen“, sagte Sunao Shoji, Hauptautor der in veröffentlichten Studie Wissenschaftliche Berichte.

„Durch rationales Design des lichtemittierenden Ions können wir die Farbe des emittierten Lichts frei auf andere Farben wie Grün oder Gelb steuern, sodass wir davon ausgehen, dass wir in der Lage sein werden, Filme zur Wellenlängenumwandlung herzustellen, die für verschiedene Pflanzentypen optimiert sind großer Weg der zukünftigen Entwicklung für die Land- und Forsttechnik der nächsten Generation.“