Hydroponik

Was ist Hydroponik? Hydroponik bedeutet gemäß dessen Erfinder Dr. W. F. Gericke die Wissenschaft vom erdelosen Gartenbau. Das betreffende Buch von 1940 kann hier herunter geladen werden. Gericke wählte ein sich auf agriculture  (Landwirtschaft) beziehendes Wort. Aquiculture war leider schon vergeben und so entstand Hydroponics, welches auf geoponics anspielt, ein im griechischen verwurzeltes Wort für Landwirtschaft (wörtlich Erdarbeit). Am Wort hydro (altgr. hydōr für Wasser) kann man schon erkennen, dass Erde durch Wasser ersetzt wird.

Abgrenzung zur Hydrokultur

Da es verschiedene Definitionen der Hydrokultur gibt, kann die Abgrenzung nicht in jedem Fall gelingen. Eine Definition lautet nämlich:

Die Kultur erdeloser Pflanzen

Kommt uns das nicht bekannt vor? In dieser generischen Form ist Hydrokultur = Hydroponik und so gehören alle Arten der Hydroponik auch zur Hydrokultur. Betrachtet man Hydrokultur jedoch als das spezielle auf Gerd Baumann zurück gehende System ORIGINAL HYDROKULTUR, dann bedeutet Hydrokultur im deutschsprachigen Raum:

Zier-Pflanzenhaltung in Blähton im Anstau-Verfahren!

Es ist eine gute Idee, das System Original Hydrokultur zu verstehen. Denn es ist ein guter Einstieg in die Thematik, da dieser Spezialfall das einfachste hydroponische System ist, da es passiv ist.

Der Hydrokultur Kulturtopf
Der Hydrokultur Kulturtopf

Das Original Hydrokultur System

In Erdkultur wurzeln Pflanzen in Böden, die auch organische Bestandteile enthalten. Die organischen Stoffe werden von den Bodenorganismen abgebaut, mineralisiert und von den Pflanzen als Nährstoffe aufgenommen. Bei der Hydrokultur ist das anders. Bei dieser Methode werden die Pflanzen in einem Substrat kultiviert, das keine organischen Bestandteile enthält. Es ist chemisch neutral und trägt nicht zur Ernährung der Pflanzen bei. Ein großer Vorteil der erdelosen Kultur ist das Fehlen von Schädlingen, deren Nährboden ebenfalls organische Substanz der Erde ist. Der Blähton hat sich als das beste anorganische Substrat der Hydrokultur herausgestellt und wird auch sehr häufig in der Hydroponik eingesetzt. Substrate dienen den Pflanzen als Lebensgrundlage und müssen daher einigen Anforderungen genügen. Sie speichern Luft, die die Wurzeln unbedingt benötigen, sowie in Wasser gelöste Nährstoffe, die ebenfalls zum Wachstum gebraucht werden. Außerdem dienen sie den Pflanzen als Ersatz für Erde und damit als Stütze und Halt. Daher dürfen sie nicht ihre Form verändern und nicht von der Nährlösung beeinflusst werden. Sie dürfen z.B. in der Dauerfeuchtigkeit keine faulenden Stoffe bilden. Ein ideales Substrat unterstützt auch den Kapillareffekt. Taucht man einen Strohhalm, also ein enges Röhrchen, in Wasser, steigt das Wasser in dem Röhrchen höher als außerhalb. Blähton enthält im Inneren feine Kammern, die als Röhrchen dienen und das Wasser ansaugen. Das ist der Kapillareffekt, der auch beobachtet werden kann, wenn man etwa Löschpapier zum Trocknen von Tinte benutzt. Die feinen Kapillaren von Löschpapier saugen das Wasser der Tinte auf. (Ich kann mich noch ganz genau an diese Blätter Löschpapier in meinen Schulheften erinnern, die ich nie benutzt aber mich immer gefragt habe, wofür die denn gut sind …)

Blähton - DAS Substrat der Hydrokultur
Blähton – DAS Substrat der Hydrokultur

Den Blähton gibt man zusammen mit den Wurzeln der Pflanze in den Hydrokultur Kulturtopf. Der Kulturtopf wird in einen geschlossenen Übertopf, gerne auch schöner, gestellt, welcher die Nährlösung enthält. Der Kulturtopf hat im Boden und am unteren Rand Löcher, durch die die Nährlösung hinein strömen kann. Auch der berühmte Wasserstandsanzeiger hat an der Unterseite ein kleines Loch, damit die Nährlösung den schwimmenden Zeiger anheben bzw. absenken kann. Zwischen dem Minimum und dem Maximum der Menge an Nährlösung, die der Wasserstandsanzeiger neben dem aktuellen Stand anzeigt, ist die Pflanze ideal versorgt. Die Wurzeln bekommen im oberen Bereich genug Luft und haben im unteren Bereich genügend Nahrung.

Passiv für Wenigtrinker – das Dochtsystem

Kommen wir nun zur Hydroponik und zum Dochtsystem. Über Dochte wird eine passive Verbindung zwischen Reservoir und dem Substratcontainer gebildet. Das System bedient sich aber wieder des Kapillareffekts, um die Nährflüssigkeit passiv über Dochte zu den Wurzeln zu transportieren und das Substrat zu befeuchten.

Das Dochtsystem - eines der einfachsten passiven hydroponischen Systeme
Das Dochtsystem – eines der einfachsten passiven hydroponischen Systeme

Die Luftpumpe ist im Dochtsystem optional, doch stille Wasser sind nicht nur tief, sondern neigen auch zur Sauerstoffarmut. Die Pflanzen werden zwar durch kleine Poren und Zwischenräume des Substrats mit Sauerstoff versorgt aber absorbieren auch in der Nährlösung gelösten Sauerstoff. Deshalb ist es eine gute Idee, im Reservoir doch eine Luftpumpe unterzubringen und dann ist das Dochtsystem nicht mehr so ganz passiv. Fällt die Pumpe aber aus, ist der Schaden weit weniger schlimm als in anderen Systemen. Ein weiterer Vorteil der Luftpumpe ist auch die ständige Zirkulation des Wassers, welche ein Absetzen der Nährstoffe am Boden verhindert. Als Docht sollte am besten Kunststoff verwendet werden, Baumwolle würde z.B. faulen. Natürlich sollte man sowohl besonders gut saugende Dochte (und genügend davon) als auch ein sehr gut saugfähiges Substrat benutzen.

Vorteile

  • Einfach zu realisieren, geht auch mit Plastikmüll
  • Ohne Luftpumpe wirklich passiv
  • Keine Pumpe kann ausfallen (außer die optionale Luftpumpe) => wartungsarm, keine Störfälle

Nachteile

  • Besonders viel Nährlösung wird durch den passiven Mechanismus nicht zu den Wurzeln transportiert und so eignet sich dieses System nur für wenig wasserbedürftige Pflanzen
  • Es werden insgesamt aber mehr Nährstoffe transportiert, als benötigt werden. Nährstoffe, die die Pflanze nicht aufnimmt, lagern sich im Substrat ab und versalzen langsam den Container und damit langfristig die Wurzeln
  • Das System kann nicht groß werden. Der Abstand zwischen Wasserspiegel und Wurzeln sollte klein sein, damit genug Nährstoffe transportiert werden können und so ist die Größe des Substratcontainers an die des Reservoirs gebunden

Water Culture (Wasserkultur auf deutsch?)

Hier sieht man entweder, dass die Hydroponik in Deutschland noch nicht Einzug gehalten hat oder, dass man einfach englische Begriffe importiert. Ich habe jedenfalls keinen deutschen Ausdruck für Water Culture, das einfachste aktive Hydroponik System, gefunden. Wir dürfen es halt bloß nicht mit WC abkürzen, sonst gibt es Missverständnisse, während es halt auch ein Deep Water Culture (DWC) System gibt. DWC ist aber nur ein anderer Ausdruck für WC Water Culture und wird für Systeme mit besonderer Wassertiefe bei hohen Wurzeln verwendet.

Water Culture - das einfachste hydroponische aktive System
Water Culture – das einfachste hydroponische aktive System

Das Wasserkultursystem ist wieder ein einfaches, aber dieses Mal aktives hydroponisches System. Der aktive Part besteht in der aktiven Luftbepumpung des Reservoirs. Würden die Pflanzen ohne Sauerstoff im stehenden Wasser schwimmen, würden die Wurzeln schnell faulen und die Pflanze absterben. Deshalb muss Sauerstoff ins Reservoir gepumpt werden, und das nicht zu knapp. Das Wasser sollte so stark sprudeln wie ein Topf kochendes Wasser, den man auf dem Herd bei starker Hitze vergessen hat. Die Wurzeln werden dann einerseits direkt durch die Luftblasen beatmet als auch durch den im Wasser gelösten Sauerstoff. Um Letzteres zu erreichen, nimmt man auch einen oder mehrere Luftsteine, welche sehr feine Poren haben, um sehr kleine Bläschen zu erzeugen. Die Menge an zugeführter Luft und der Druck der Pumpe tragen dann zum deutlichen Blubbern bei.

Rezirkulierend

Wasserkultursysteme werden unter den hydroponischen System sehr häufig und auch kommerziell eingesetzt. Setzt man die Technik in größerem Maßstab ein, verwendet man üblicherweise mehrere Ziel- und ein zentrales Quellreservoir. So spart man sich Luftsteine. Allerdings werden dann die Wurzeln nicht mehr mit Luftblasen direkt versorgt, sondern nur noch mit in Wasser gelöstem Sauerstoff aus dem zentralen Nährstofftank. Damit sich die Menge an gelöstem Sauerstoff erhöht, werden die Zielcontainer ständig überflutet und durch einen Überlauf abfließendes Wasser zum zentralen Behälter wasserfallartig zurück geführt. Indem rückfließendes Wasser in den Quellcontainer fällt, wird zusätzlicher Sauerstoff mitgenommen. Je tiefer das Wasser fällt, desto mehr Sauerstoff wird zugeführt. Da das Wasser im Zielcontainer sowieso immer überläuft, muss dort keine Wassermenge kontrolliert werden, sondern nur im Quellcontainer. Man hat also nur einen Ort, wo die meisten Parameter wie PH-Wert, Konzentration der Nährlösung, Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt, … beobachten und kontrollieren muss. Das macht das rezirkulierende System gut wartbar.

Vorteile

  • Erweiterbar: Ziel- und Quellcontainer
  • Bei aller Aktivität durch Luftpumpen noch einfach
  • Sehr effektiv: Die Wachstumsraten sind erstaunlich. In Verbindung mit der Einfachheit macht es das für den Einsatz in Hobby und Kommerz sehr interessant

Nachteile

  • Die Nährlösung muss kühl gehalten werden. Je wärmer das Wasser ist, desto schlechter löst sich Sauerstoff darin
  • Die Sauerstoffzufuhr ist überhaupt das größte (allerdings lösbare) Problem bei dieser Hydroponikvariante
  • Bei der rezirkulierenden Variante: breiten sich Bakterien und Erreger aus, ist das ganze System befallen
  • Fällt der Strom aus, springt hoffentlich eine Notfallpumpe ein, denn sonst ist die Ernte hin. Oder die defekte Pumpe wird schnell ausgetauscht
  • Eher für sehr Wasser liebende Pflanzen geeignet

NFT – Nutrient Film Technique

Bei der Nutrient Film Technik stehen einige Wurzeln der Pflanze in der Nährlösung, während große Teile sich nur in Luft befinden. Die Pflanze wird so ideal mit der optimalen Mischung aus Nährstoffen und Sauerstoff versorgt. Sobald junge Pflanzen genügend lange Wurzeln ausgebildet haben, werden sie mitsamt Netztop und Substrat in die Pflanzenröhre (Gully, Kanal) gesteckt. In diesem zirkulierenden System wird die Nährlösung vom Reservoir in den Kanal gepumpt. Die Nährlösung fließt dann in einem dünnen Film den leicht angewinkelten Kanal herunter in den Rückfluss, der zum Quell-Container zurück fließt. Das NFT System wird als angenehm einfach empfunden und oft kommerziell eingesetzt. Es gibt allerdings einige Prinzipien zu beachten, damit das Wachstum der Pflanzen gelingt.

NFT - Nutrient Film Technique
NFT – Nutrient Film Technique

Form

Üblich ist für den Kanal eine Höhe von 4 – 5 cm. Die Wurzeln wachsen nicht in die Tiefe, sondern in die Breite. Die Breite wird in Abhängig von der erwarteten Wurzelmasse bestimmt.

  • 10 cm für kurze Zeit wachsende Pflanzen wie Salat oder Kräuter
  • 15 cm für längere Zeit wachsende und kleine Pflanzen wie Erdbeeren
  • 20 cm oder mehr für längere Zeit wachsende Pflanzen, die große Wurzeln ausbilden, wie die Tomate

Der Kanal ist professionellerweise nicht rund, wie es viele Hobbygärtner machen, sondern quadratisch. Bei einem runden Rohr ist die Nährlösung ungleich verteilt, so dass nur wenige Wurzeln mit Nährlösung versorgt werden. Bei einem quadratischen Kanal ist der gesamte Boden mit Nährlösung bedeckt und mehr Wurzeln können Nährstoffe und Wasser aufnehmen.

Gefälle

Es wird ein Gefälle von 1:16 empfohlen. D.h. für einen 16 am langen Gully beträgt der Höhenunterschied 1 cm. Rein theoretisch könnte das Gefälle auch 1:100 cm betragen. In der Praxis bilden sich dann aber Staus, die dem Prinzip des Systems widersprechen, nur einen Film  an Nährlösung zu erzeugen.

Durchsatz

Für 10 cm breite Kanäle wird ein Durchsatz von 0,5 l pro Minute empfohlen, für weite Kanäle 2 l. Auch das Gefälle wirkt sich auf die Dicke des Films aus. Der Film sollte weder zu tief, noch zu flach sein.

Länge

Die Länge des Kanals vom Einlass der Nährlösung bis zu deren Abfluss ist begrenzt. Ist der Kanal zu lang, kann die Versorgung an Nährstoffen und Sauerstoff für alle Pflanzen nicht mehr aufrecht erhalten werden. Die Länge des Gully ist abhängig von Gefälle und Durchsatz. Als Daumenregel sollte sie nicht mehr als 10 bis 15 Meter betragen oder es sollte nach dieser Länge spätestens frische Nährlösung hinzu gepumpt werden.

Vorteile

  • Besonders gutes Verhältnis an Nährstoffen, Sauerstoff und Wasser
  • Die Operation des Systems ist einfach, sobald es eingerichtet ist und das richtige Design hat
  • Kein Timer oder Pumpensteuerung nötig, die Pumpe läuft einfach durch
  • Kein Medium nötig, da die Pflanze nur ein einem Punkt festgehalten werden muss und in die Wurzeln in Luft und Wasser hängen

Nachteile

  • Fällt die Pumpe aus und es gibt keine Ersatzpumpe, ist die Ernte schnell dahin, da es nur den dünnen Film Nährlösung gibt
  • Nicht unbedingt geeignet für Pflanzen mit großen Wurzeln
  • Das System neigt zu Verstopfungen durch üppigen Wurzelwachstum und damit auch zu Stauungen. Mit dem richtigen Design (Form, Gefälle, Durchsatz, Länge) kann das allerdings verhindert werden

Aeroponik

Das aeroponische System bekommt seinen Namen durch das Hängen der Wurzeln in der Luft. Dadurch sollen sie maximal viel Sauerstoff bekommen. Ernährt werden die Pflanzen durch beständiges Besprühen der Wurzeln mit Nährlösung. Je feiner die Tröpfchen sind, desto besser und schneller wachsen die Pflanzen. Das hat die NASA in ihren Experimenten herausgefunden.

Aeroponik - ein fortgeschrittenes erdeloses Kultursystem
Aeroponik – ein fortgeschrittenes erdeloses Kultursystem

Es gibt drei Arten von aeroponischen Systemen

  • Niederdrucksysteme: Diese Systeme sind nicht die wirklichen und wahren aeroponischen Systeme, denn sie arbeiten mit Niederdruck. In dieser Variante ist das System auch nicht viel komplizierter als die anderen hydroponischen Systeme. Denn es kann eine ganz normale Aquarienpumpe verwendet werden. Zudem verwendet man gewöhnliche Sprühköpfe, wie sie auch in anderen Bewässerungssystemen verwendet werden. Zu beachten ist allerdings, dass mit jedem Sprühkopf der zuzuführende Druck zunimmt und die Pumpe dementsprechend dimensioniert werden muss. Am besten positioniert man die Sprühköpfe oberhalb der Wurzeln, dann perlt das Wasser an den Wurzeln ab und versorgt auf diese Weise die Wurzelspitzen, während sich unter den Wurzeln befindliche Sprühköpfe vielleicht von Wurzeln bedeckt werden. Niederdrucksysteme erfreuen sich wegen der kleineren technischen Herausforderung der größten Beliebtheit unter den aeroponischen Systemen, besonders bei Hobby-Hydroponikern. Aus den Sprühköpfen kommt kein ultrafeiner Nebel, wie im richtigen aeroponischen System, sondern eher feine Wasserstrahlen. Damit unterscheidet sich die Größe der Wassertropfen ganz wesentlich von den Hochdrucksystemen. Die Wurzeln und das Substrat werden richtig nass und so sind Bewässerungszyklen von 15 min (15 min Pumpe an, 15 min Pumpe aus) oder 30 min üblich. Denn es dauert, bis das Wasser im Wurzelbereich wieder getrocknet ist.
  • Hochdrucksysteme: Diese Systeme sind die wahren aeroponischen Systeme und arbeiten mit 4 bis 6 Bar, also etwa der Druck eines gut aufgepumpten Fahrradreifens. Da im Hochdrucksystem ein sehr feiner Nebel mit sehr kleinen Wassertropfen erzeugt wird, sind häufigere Sprühzyklen, spätestens alls 5 min, notwendig und so wird eine kurze Lebensdauer einer Pumpe durch ein ständiges An- und Ausschalten vermieden und die Pumpe ganz aus dem System verbannt. Stattdessen verwendet man einen Akkumulatortank, ähnlich wie er im Umkehrosmose Wassersystem benutzt wird und Ventile. Der Druck wird im Tank immer aufrecht erhalten, während alle 5 min für einige Sekunden Nebel im Wurzelbereich erzeugt wird.
  • Ultraschallvernebler: Ultraschallvernebler werden in der Medizin zur Inhalation von Medikamenten benutzt, außerdem werden sie zur effektvollen Raumgestaltung, -befeuchtung und in Dampfbädern eingesetzt. Auch bei der Haltung von Reptilien werden Ultraschallvernebler eingesetzt, um eine optimale Luftfeuchtigkeit zu erreichen. In aeroponischen System allerdings erzielen sie gemischte Ergebnisse. Während sie tatsächlich sehr feine Wassertröpfchen erzeugen, befindet sich sehr wenig wirkliche Feuchtigkeit im Nebel. Außerdem tendiert der Nebel dazu, in Tropfen auf den Boden zu fallen, statt die Wurzeln einige Minuten lang zu benetzen

Vorteile

  • Wie der Name schon sagt, haben die Wurzeln viel Sauerstoff
  • In der Niederdruckvariante ist das System nicht so schwer umzusetzen
  • Die Temperatur der Nährlösung soll zwar immer niedrig gehalten werden, um den Sauerstoffgehalt des Wassers zu erhöhen, in der Aeroponik ist das aber nicht ganz so wichtig, da die Wurzeln ja in der Luft wachsen
  • Bevorzugte Anbaumethode der NASA im Weltraum. Nährstoffe können in der Schwerelosigkeit gezielt durch die Sprühköpfe zu den Wurzeln transportiert werden und der Wasserverbrauch wird extrem minimiert. Es handelt sich bei der Aeroponik um die kontrollierteste Methode

Nachteile

  • Hightech, besonders die Hochdruckvariante. Besonders im Hobbybereich ist der Aufwand im Verhältnis zum Ertrag hoch
  • Fällt eine Pumpe aus, ist die Ernte in wenigen Minuten hin, besorders im Hochdrucksystem, da die Feuchtigkeit nicht gespeichert wird
  • Bei der hohen Komplexität des Systems gibt es mehr Möglichkeiten für einen Ausfall
  • Besonders die extrem feinen Sprühköpfe, allerdings nur bei der Hochdruckvariante, verstopfen schnell

Ebbe- und Flutsysteme

Ebbe- und Flutsysteme sind sehr beliebt unter den Praktikern der erdelosen Kultur, weil sie einfach und mit Hausmitteln aufzubauen sind. Es gibt einen Container oder eine Serie von Containern, die von einer Pumpe mit Nährlösung versorgt werden. Periodisch werden diese Container mit Nährlösung geflutet, bis der Wasserstand den oberen Rückfluss des Containers erreicht hat und die Nährlösung wieder ins Reservoir zurück läuft. Dieses obere Ende des Rückflusses sollte sich einige cm unter der Substratoberfläche befinden und setzt den Wasserstand fest und verhindert ein Überlaufen der Pflanzencontainer. Wenn die Pumpe sich nach 5 bis 15 Minuten abschaltet, fließt das Wasser durch die Schwerkraft wieder durch die Pumpe zurück (Ebbe).

Ebbe- und Flutsystem - Nährlösung überflutet kurzzeitig den Pflanzenbehälter und ebbt dann wieder ab
Ebbe- und Flutsystem – Nährlösung überflutet kurzzeitig den Pflanzenbehälter und ebbt dann wieder ab

Verschiedene Designs

  • Pflanzencontainer in Serie: Die Container befinden sich oberhalb des Reservoirs, damit nach dem Fluten zum Ebben die Schwerkraft genutzt werden kann. Zuerst werden die Container mit Rohren so verbunden, dass beim Fluten alle Container gleichmäßig und gleichzeitig gefüllt werden. Einfacherweise gibt es nicht für jeden einzelnen Container einen Einlass und einen Überlauf, sondern nur einen zentralen Einlass und einen Überlauf. Die Höhe des Überlaufs bestimmt die maximals Höhe des Wasserstands in allen Containern.
  • Kastendesign: Dieses System wird für den temporären Aufenthalt von Pflanzen verwendet, z.B. bei der Anzucht. Es gibt nur einen einzigen Kasten, auch wieder oberhalb des Reservoirs, um für den Rückfluss die Schwerkraft auszunutzen. In diesem Kasten befinden sich kleinere Töpfe mit Pflanzen und Substrat, welche bei Flut mit Wasser umgeben werden. Dieser Kasten enthält nur einen Zu- und einen Abfluss. Nachteil dieses Designs ist, dass Licht ungehindert in das flutende Wasser fallen kann und so Algen gut wachsen können. Algen entziehen dem Wasser Sauerstoff, der bei Flut ohnehin knapp ist.
  • Fluttankdesign: Dieses System verwendet man, wenn wenig vertikaler Platz zur Verfügung steht und das Reservoir sich unter Gewächseimern befindet. Behälter haben den gleichen Wasserstand, wenn sie unterhalb der Wasseroberfläche mit einem gemeinsamen Rohr verbunden werden. Dieses Effekts bedient sich das Fluttankdesign. Der Wasserstand in den Eimern wird über den Fluttank bestimmt, welcher mit den Eimern verbunden ist. Im Flutzustand wird vom Reservoir Wasser in den Fluttank gepumpt. Steigt der Wasserstand im Fluttank über ein bestimmtes Maß, wird Wasser vom Fluttank gleichzeitig zurück gepumpt (Flutzustand; beide Pumpen laufen). Soll das Wasser wieder abebben, läuft nur noch die Pumpe, die das Wasser ins Reservoir zurück pumpt.

Vorteile

  • Einfach zu realisern, wenn man das System nicht nach dem Fluttankdesign baut
  • Pumpenfehler schlagen natürlich zu Buche, aber da die Wurzeln sich nicht in der Luft befinden, hat man mehr Zeit zum auswechseln, da das Trocknen der Wurzeln länger dauert

Nachteile

  • Wächst nicht vertikal, da die Gewächseimer sich auf derselben Höhe befinden müssen
  • Wasser muss gut mit Sauerstoff versorgt werden, damit die Wurzeln bei Flut durch den gelösten Sauerstoff versorgt werden können