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Hochleistungs-Landwirtschaft dank Hightech


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Hochleistungs-Landwirtschaft dank Hightech

Ohne Computer geht in der Landwirtschaft und im Umweltschutz nichts mehr. Ausgefeilte Technologie soll etwa Milchbauern beim Melken helfen und für gesunde Kühe sorgen, Gemüsebauern beim Züchten und Verkaufen der optimalen Tomate unterstützen oder die Wasserverschmutzung punktgenau steuern.

Brian’s Familie bewirtschaftet einen Hof in Schottland seit drei Generationen. Doch nie war die Arbeit mit dem Milchvieh leichter. Brian empfängt auf seinem Smartphone automatisch E-Mails vom Computersystem seines Hofes. Diese warnen ihn, wenn sich beim Gesundheitszustand oder bei der Fruchtbarkeit einer der Kühe etwas verändert. Die Daten kommen direkt aus dem Halsband einer jeden Kuh. Sehr praktisch, findet er: “Das Halsband zeigt an, wenn eine Kuh weniger frisst und weniger wiederkäut oder wenn sie weniger aktiv ist. Jeder dieser Faktoren kann ein Indikator sein für eine Krankheit oder für eine beginnende Krankheit. Diese Halsbänder zeigen diese Probleme an, bevor sie zu wirklich großen Problemen werden.”

Beim Fressen bewegen die Kühe ihre Halsmuskeln. Diese Bewegungen werden von den Sensoren des Halsbandes aufgezeichnet. Die Daten werden gesammelt und verarbeitet. Die Entwickler der Halsbänder haben schon ein neues Projekt: Sie wollen ein Ortungssystem hinzufügen. Das wäre vor allem für die Freilandhaltung der Kühe interessant.


Wohlfühlen – computerüberwacht


Ivan Andonovic von der Universität of Strathclyde in Glasgow sagt: “Die Energie ist in den letzten zehn Jahren billiger geworden, wir verbauchen vor allem weniger davon. Unsere Entwicklungen sind viel funktionaler geworden. Die Geräte sind jetzt kleiner und handlicher. Das erst macht es uns möglich, die modernen Technologien auf dem Agrarsektor wirtschaftlich einzusetzen.”

Melkroboter messen die Menge und die Zusammensetzung der Milch von jeder einzelnen Kuh. Die Landwirte können diese Daten nutzen, um die Produktivität, aber auch das Wohlbefinden ihres Milchviehs zu verbessern. Diese und andere Entwicklungen werden an 24 Höfen in ganz Großbritannien erforscht – ein europäisches Projekt, das die Landwirtschaft nachhaltiger und effizienter machen soll.


Datensammeln macht die Arbeit leichter und bringt mehr Milch


Projektleiter Freddie Reed umreißt die Aufgaben: “Zunächst ermitteln wir, wie viel Arbeit auf uns zukommt, Wir sammeln Daten über die Höfe. So wissen wir, was dort passiert. Dann können wir ineffiziente Arbeitsprozesse auf den Höfen ausmachen. Wenn wir die Ursachen gefunden haben, können wir passende Lösungen entwickeln.”

Brian ist sich sicher, dass seit der Einführung der neuen Technologie vor rund sechs Monaten die Milchproduktion um gut 20 Prozent gestiegen ist. Die Gesundheit der Kühe habe sich spürbar verbessert. Die Forscher sehen noch ein weit größeres Potenzial, wenn die Daten der Halsband-Sensoren umfassender ausgewertet werden. Ziel ist auch ein gemeinsamer Standard für den Datenaustausch. Ivan Andonovic von der Universität of Strathclyde in Glasgow glaubt: “Für Brian und seine Kollegen wird die Arbeit viel leichter, wenn wir einen zuverlässigen Datenbestand haben – was die eingehenden Daten aus den Halsbändern angeht und die ausgehenden Daten der Roboter.”


Sensoren hegen und pflegen die Tomaten


“Das Meer aus Plastik”: Zehntausende Gewächshäuser reihen sich in Almeria in Spanien aneinander. Die meisten gehören einheimischen Familien. Von hier aus wird halb Europa mit Tomaten, Paprika und anderem Gemüse versorgt. Auch hier ist die Forschung mit im Spiel. Dieses Gewächshaus ist vollgestopft mit Sensoren. Sie ermitteln, wie es um die Pflanzen bestellt ist.

Manuel Berenguel, Professor an der Universität von Almería erklärt: “Wir wollen den Gemüsebauern das Datensammeln erleichtern und alle Protokolle in einer einzigen Cloud zusammenführen. Wir können die künstliche Intelligenz und große Datenmengen dazu nutzen, Schlüsse für die ganze Region zu ziehen und so die Arbeit der Erzeuger einfacher machen.”

Die Feuchtigkeit im Boden, das Gewicht der Pflanzen, die Luftzusammensetzung und andere Indikatoren werden gemessen. So soll jeder einzelne Landwirt in die Lage versetzt werden, besseres Gemüse zu produzieren – durch optimierte Bewässerung und den gezielten Einsatz von Dünger. Das “smart farming” soll langfristig zu wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Verbesserungen führen.

“Die Daten und Informationen, die wir sammeln, können den Kooperativen helfen, sich ihrer Produktionsprozesse bewusster zu werden und ihre Methoden effizienter zu machen – beim Wasserverbrauch, beim Arbeitseinsatz. Sie können sich auch besser auf die Anforderungen des Marktes einstellen und entsprechend produzieren”, sagt Cynthia Giagnocavo von der COEXPHAL-Universität Almería.


Auf der Suche nach der optimalen Tomate


Die Tomaten sind geerntet, die “Datenernte” aber geht weiter. Diese Sortieranlage kann zwei Millionen Tomaten am Tag verarbeiten – dank der neuen Technologie. Die Maschinen lichten jede Tomate ab und sortieren sie automatisch nach Größe, Farbe und sogar nach Geschmack. Cristóbal Ferriz, Produktionsleiter des Gemüseanbaubetreibs CASI, überzeugt die neue Technologie: “Kein Zweifel – diese moderne Technik verschafft uns einen Wettbewerbsvorteil. Wahrscheinlich sind wir momentan in Europa ganz vorne. Wie Sie sehen, arbeiten hier nur wenige Menschen. All die teuren Arbeiten, die früher umständlich von Hand erledigt wurden, haben wir auf ein Minimum reduziert.”

EU-Projekt

Forscher führen die Daten aus den Gewächshäusern mit denen aus der Verarbeitung zusammen. Das Ziel: Der Weg jeder einzelnen Tomate – vom Gemüsehof bis zum Laden – kann nachverfolgt werden. Das soll die Produktionswege effizienter und die Nahrungskette transparenter machen.



Jorge A. Sánchez-Molina von der Universität Almería: “Der Landwirt bekommt alle Informationen über seine Ware, die er verschickt hat. Die verarbeitenden Betriebe bekommen alle Daten über die Produkte, die sie erhalten. Der Verbraucher bekommt alle Informationen über sein Produkt.”


Sensoren auf Tauchstation


Präzise Sensoren haben noch etliche weitere Anwendungsgebiete – etwa unter Wasser im Meer. Wie kann man am einfachsten und am zuverlässigsten Wasserverschmutzung messen? Im Süden Englands, bei Southampton, testen Forscher ihr neues Mini-Labor für eine chemische Wasseranalyse.

Der Müll aus den Ballungszentren und aus den ländlichen Gebieten landet oft im Meer und verseucht es mit Stickoxiden oder Phosphor. Die Stoffe schaden dem Ökosystem unter Wasser. Viele Kommunen versuchen, die Verschmutzung einzudämmen. Die Konzentration der Stickoxide etwa variert den Tag über. Labore an Land können diese Veränderungen nicht in Echtzeit messen. Die Lösung: Das Labor taucht ab unter Wasser, erklärt Alex Beaton, Forscher vom “National Oceanography Centre”: “Anstatt Wasserproben zu nehmen und sie im Labor zu analysieren, lassen wir den Sensor im Wasser lange im Einsatz. Alle 15 Minuten kann er eine Messung machen und uns so umfassende Daten liefern. So können wir Entwicklungen genau erkennen, die mit punktuellen Wasserproben nicht zu sehen wären.”

Ein so genanntes “Labor-auf-einem-Chip” kommt zum Einsatz. Es wurde für ein anderers europäisches Forschungsprojekt entwickelt. Es ist kompakt, kostengünstig und vereint diverse Labor-Funktionen. Es ist ganz einfach zu bedienen: Es soll selbst Privatpersonen helfen, Messungen in Sachen Abwasserwirtschaft zu machen.

Doug Connelly, Chemie-Professor am “National Oceanography Centre” und Projektkoordinator von SENSEOCEAN: “Wir haben eine Kombination konstruiert aus einzelnen Sensoren, die aber doch miteinander verbunden sind. Damit haben wir einen ‘Multi-Parameter-Sensor’. Mit dem können wir nach Stickoxiden, der Temperatur, dem pH-Wert und dem Salzgehalt des Wassers gleichzeitig schauen. Das verschafft uns einen umfassenden Überblick über das, was in der Umwelt passiert.”


Forschen bis auf den Meeresgrund


Das “Labor-auf-einem-Chip” besteht aus einer Plastikplatte, auf der komplexe Röhrensysteme für flüssige Reagenzien aufgebracht sind. Optische Sensoren registrieren farbliche Veränderungen, die das Vorkommen verschiedener Substanzen im Wasser anzeigen. Alle Chemikalien werden in dem Labor gesammelt. Alex Beaton, Forscher am “National Oceanography Centre”: “Dieses System ist so konzipiert, dass es auf dem Meeresgrund arbeiten kann – bis in etwa 5.000 Metern Tiefe, vielleicht sogar bis 6.000 Meter. Wir haben entsprechende Drucktests gemacht.”

Untersuchungen bis auf den Meeresgrund

Wissenschaftler arbeiten mit kleinen und mittleren Unternehmen zusammen, um ihre verschiedenen Sensoren zu verbessern, was Funktionalität, Kosten und Größe angeht – wie etwa dieses Fluorometer, das Kohlenwasserstoffe im Wasser misst mit Hilfe fluoreszierender, organischer Moleküle. Ingenieur John Attridge erklärt: “Eines der Ziele unseres Projekts war, eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren zu verwenden und diese möglichst kompakt zu bündeln. Das sollte die Herstellung in Serie vereinfachen.”


Aufwändige Handarbeit


Die Herstellung zu vereinfachen, ist eine große Herausforderung. Ein Ableger der Universität im dänischen Aarhus stellt äußerst präzise Mikrosensoren für Forscher in aller Welt her. Jeder Sensor wird aus einem Glasröhrchen von Hand gefertigt. Ganz vorsichtig wird das Glas geformt. Die Öffnung am Ende darf nur wenige Mikrometer groß sein. Dazu braucht es eine ruhige Hand und viel Geduld. Etwa die von Labortechniker Rasmus Eliasen: “Ich kann etwa 20 Stück pro Woche machen – vom Standard-Modell. Der Sauerstoff-Sensor ist das Standard-Modell, die sind am einfachsten zu machen.”

Die Sauerstoffmoleküle und die anderer Substanzen passieren eine Membran und reagieren mit einem dünnen Platindraht. Dabei wird eine schwache Spannung erzeugt, die die Instrumente messen können. Solche Mikrosensoren können für diverse Aufgaben nützlich sein – von der Blutanalyse über Umweltverschmutzung bis zur Messung von Treibhausgasen.

Niels Peter Revsbech, Forscher an der Universität Aarhus, ist überzeugt: “Angesichts der zahlreichen Anwendungsgebiete könnte es viele Nachfragen geben. Ein sehr gutes Beispiel ist der Stickoxid-Sensor. Er misst, wieviel Stickoxid bei der Wasseraufbereitung freigesetzt wird. Er funktioniert nach dem gleichen Prinzip: Innendrin ist alles sehr klein und kompakt. Doch das können wir auch robuster bauen. Dann kann der Sensor direkt in die Aufbereitungsanlage eingesetzt werden. Der Markt ist riesig.”

Um den erwarteten Bedarf zu decken, arbeiten die Entwickler an Methoden zur Massenproduktion. Das Glas soll durch Plastik ersetzt werden, die Lebensdauer soll so erhöht werden, außerdem sollen die Sensoren dadurch billiger werden. Chefentwickler Søren Porsgaard erläutert: “Wenn wir diese beiden Sensoren hier vergleichen – innen haben wir die gleiche Größe der Membran. Die Zahl der Moleküle, die die Membran passiert, ist vergleichbar. Außen aber ist die Bauweise verschieden, das macht die Sensoren robuster – und billiger als die handgefertigten aus Glas.”

Von Feldern und Bauernhöfen bis zum Meeresgrund – neue Technologien helfen beim Verstehen und Erforschen unserer komplexen Welt und erleichtern die Arbeit.

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