Roboter Assistent Bildverarbeitung für die Erkennung von Unkraut, Spray Chemical, ersetzen Arbeiter und erhöhen die Präzision.
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11.10.2018 Fachinformation 280 0

Anbau von Hightech-Salaten

Moderne Technik hilft beim Anbau landwirtschaftlicher Erzeugnisse in Städten.

IEC-Logo

Von Natalie Mouyal

LEDs erzeugen das Licht, das Pflanzen zum Wachsen brauchen. Sensoren messen Temperatur und Luftfeuchte. Roboter ernten und verpacken die Erzeugnisse. Dies könnte die Zukunft des Obst- und Gemüseanbaus in einer als vertikale Landwirtschaft bezeichneten Nische darstellen.

Abbruchreife Lager- und Fabrikgebäude werden in städtische Farmen umgewandelt, in denen Salat und andere grüne Blattgemüse mit einer Ertragsrate angebaut werden, die weit über den herkömmlichen Anbauverfahren liegt. Bei einer vertikalen Farm in Japan kann Salat innerhalb von 40 Tagen nach der Aussaat geerntet werden. In zwei Türmen mit jeweils 900 m2 Grundfläche (die Anbauflächen liegen bei 10.800 m2 und 14.400 m2) kann dieser Betrieb täglich 21.000 Salatköpfe produzieren.

Landwirtschaft im Inneren von Gebäuden ist kein neues Konzept, wie Treibhäuser seit langem zeigen. Sie existiert bereits seit römischer Zeit und war in verschiedenen Gegenden der Welt bekannt. In einem frühen koreanischen Text zur Landwirtschaft aus dem 15. Jahrhundert werden schon Treibhäuser beschrieben, die auch in Europa während des 17. Jahrhunderts Verbreitung fanden. In heutiger Zeit haben sie die Niederlande zum zweitgrößten Nahrungsmittelexporteur der Welt gemacht.

Die vertikale Landwirtschaft ermöglicht ganz neue Sichtweisen auf Indoor-Gewächshäuser. Durch den Akademiker Dickson Despommier bekannt geworden, glauben die Befürworter der vertikalen Landwirtschaft, dass damit Millionen von Menschen ernährt und gleichzeitig einige der negativen Auswirkungen herkömmlicher landwirtschaftlicher Verfahren verringert werden können: CO2-trächtiger Transport, Waldrodung und Abhängigkeit von chemischen Düngemitteln.

Unter vertikaler Landwirtschaft wird die Nahrungsmittelproduktion in den übereinander liegenden Ebenen im Innenraum eines Gebäudes verstanden, ohne dass hierbei natürliches Licht oder Bodenflächen benötigt werden, wie beispielsweise in Hochhäusern oder Lagergebäuden. Dabei werden die Nahrungsmittel in einer kontrollierten Umgebung angebaut, in der Licht, Luftfeuchte, Temperatur und andere Bedingungen sorgsam überwacht werden. Das Ergebnis ermöglicht Stadtbewohnern einen ganzjährigen Zugang zu frischem Gemüse, da der Anbau unabhängig von den Witterungsverhältnissen und ohne den Einsatz von Pestiziden möglich ist, andererseits aber mit kurzen Transportwegen einhergeht.

Ursprünglich wurde die vertikale Landwirtschaft von Dr. Despommier und seinen Studenten als eine Möglichkeit entwickelt, die Einwohner von New York City mit Nahrungsmitteln zu versorgen. Aber seither hat „vertical farming“ weltweit Fuß gefasst, insbesondere in den USA und in Japan. Einer Untersuchung des Forschungsunternehmens Statista zufolge wird die vertikale Landwirtschaft im Jahr 2023 einen Umfang von 6,4 Milliarden US-Dollar erreichen.

Hightech-Landwirtschaft

Nach Aussage der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen muss die weltweite Nahrungsmittelproduktion bis zum Jahr 2050 um 70 % anwachsen, um die voraussichtliche Weltbevölkerung von 9,1 Milliarden Menschen ernähren zu können. Mit der vertikalen Landwirtschaft soll beiden Herausforderungen bei der Ernährung einer anwachsenden Weltbevölkerung entgegengetreten werden, die in immer höherem Maß in urbanen Zentren leben wird.

Durch die Wiederverwendung von Lagergebäuden und Hochhäusern können Pflanzendichte und Produktion anhand bereits vorhandener Infrastruktur maximiert werden. Eine in den USA ansässige vertikale Farm gibt an, dass die Erträge gegenüber der Produktion auf Freilandfeldern um den Faktor 350 gesteigert werden können, während gleichzeitig nur 1 Prozent der Wassermenge herkömmlicher Verfahren benötigt wird.

Allgemein werden in der vertikalen Landwirtschaft zwei Verfahren eingesetzt, nämlich aeroponische und hydroponische Systeme. In beiden Fällen handelt es sich um wasserbasierte Verfahren, bei denen die Pflanzen entweder mit Wasser und Nährstoffen besprüht (aeroponische Systeme) oder in einem nährstoffreichen Wasserbecken angebaut werden (hydroponische Systeme), und beide Systeme hängen von technisch anspruchsvollen Verfahren ab, mit denen sichergestellt wird, dass die Anbaubedingungen für einen höchstmöglichen Ertrag ideal sind.

Damit jeden Monat geerntet werden kann, müssen in vertikalen Farmen die Bedingungen gesteuert werden, die sich auf das Pflanzenwachstum auswirken. Zu diesen zählen Temperatur, erforderliche Nährstoffe, Feuchtigkeit, Sauerstoffmenge, Luftströme und Wasser. Die von den LEDs ausgehende Lichtintensität und Lichtmenge kann an die Bedürfnisse der Pflanzen angepasst werden.

Ein Netzwerk mit Sensoren und Kameras sammelt detaillierte Daten über die Pflanzen in den spezifischen Stadien ihres Lebenszyklus sowie über die Umgebung, in der sie wachsen. Diese Daten werden nicht nur überwacht sondern auch analysiert, um Entscheidungen zur Verbesserung der Pflanzengesundheit sowie zu Wachstum und Ertrag zu ermöglichen. Die Datensätze werden an Wissenschaftler gesendet, die für die Anbauumgebung verantwortlich sind und unabhängig davon, ob sie vor Ort sind oder sich andernorts aufhalten, ihre Entscheidungen in Echtzeit treffen können.

Aufgaben, wie die Aufzucht von Setzlingen, die Umpflanzung und die Ernte, können automatisiert ausgeführt werden. Dies gilt auch für die in Echtzeit angepasste Pflege der Pflanzen. Ein Betrieb plant die Einführung automatischer Analyseprozesse mit Maschinenlernalgorithmen, sodass eine Vielzahl unterschiedlicher Datensätze bei der Echtzeitqualitätskontrolle berücksichtigt werden kann.

Die einzelnen landwirtschaftlichen Betriebe wenden die Technologien zwar noch in unterschiedlichem Umfang an, aber es wird erwartet, dass die technischen Möglichkeiten weiter verbreitet und künftig stärker angewendet werden. Der Einsatz von künstlicher Intelligenz und Cloud-Computing ist derzeit ebenfalls noch nicht weit verbreitet, wird aber für dauerhaft hohe Erträge wahrscheinlich immer wichtiger.

Bedeutung von IEC-Normen

IEC-Normen sind für die vertikale Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung.

Das gemeinsame technische Komitee der Internationalen Organisation für Normung und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (ISO/IEC JTC 1) sowie einige seiner Unterkomitees (SC) erstellen internationale Normen, die zur Entwicklung von Verfahren mit künstlicher Intelligenz (KI) beitragen. Angesichts der rasanten Entwicklung von KI-Verfahren in zahlreichen Branchen wurde 2017 das Unterkomitee ISO/IEC JTC 1/SC 42 zu künstlicher Intelligenz eingerichtet, dem das Mandat übertragen wurde, die Normungsarbeit im Bereich KI aufzunehmen und andere Komitees zu unterstützen, die sich ebenfalls mit der Entwicklung von KI-Anwendungen befassen.

KI-Anwendungen basieren auf der Zusammenstellung, Analyse und Weitergabe großer Datenmengen, die zwischen Anwendungen sowie mit externen Diensteanbietern ausgetauscht werden. ISO/IEC JTC 1/SC 41 entwickelt internationale Normen für das die Konnektivität unterstützende Internet der Dinge (IoT, en: Internet of Things), während sich ISO/IEC JTC 1/SC 38 im Sinn der Speicherung und Abfrage von Daten mit der Normung des Cloud-Computings auseinandersetzt.

Internationale Normen für Lampen, elektrisches Licht und Beleuchtungslösungen werden vom IEC TC 34 und seinen Unterkomitees entwickelt. Normen für die Konstruktion und Nutzung von Halbleitern, einschließlich Sensoren, werden vom IEC TC 47 entwickelt.

Darüber hinaus erstellen verschiedene technische Komitees Normen für die industrielle Automatisierung. Zu diesen zählen IEC TC 65, das mit Prozessmessung, Steuerung und Automatisierung betraut ist, IEC TC 17, das Normen für Schalt- und Steuergeräte entwickelt sowie IEC TC 22, das sich mit der Normung von Leistungselektronik-Systemen und Anlagen auseinandersetzt. IEC TC 44 schließlich liefert Normen für die Maschinensicherheit. Die Übereinstimmung mit den von diesen TCs entwickelten Normen wird anhand des IEC-Systems der Konformitätsbewertungsprogramme für elektrotechnische Anlagen und Komponenten (IECEE, en: IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components) bereitgestellt.

Für das in der vertikalen Landwirtschaft benötigte Wasser werden Pumpen mit Motoren verwendet, die sich an den Normen des IEC TC 2 orientieren. Da sich auch die vertikale Landwirtschaft den erneuerbaren Energien, wie Sonnen-, Wind- und Wasserenergie, zuwendet, werden hier auch Normen verwendet, die vom IEC TC 82 (photovoltaische Sonnenenergiesysteme), vom IEC TC 88 (Windenergiesysteme) und vom IEC TC 114 (Wasserenergiesysteme) erstellt wurden.

Wachstumsprobleme

Trotz der Begeisterung für die vertikale Landwirtschaft ist sie noch kein bewährtes Geschäftsmodell. Die für die Gründung einer vertikalen Farm benötigte Erstinvestition sowie die Energieversorgung für den rund um die Uhr laufenden Betrieb der Beleuchtung, der Sensoren und anderer Technik kann teuer werden.

In Abhängigkeit von der Energiequelle für die zum Betrieb der Anlagen benötigte Elektrizität ist eine solche Anlage nicht notwendigerweise umweltfreundlicher als die Verfahren eines herkömmlichen Landwirtschaftsbetriebs. Daher könnte eine Verlagerung hin zu erneuerbaren Energiequellen den Anspruch unterstützen, dass vertikale Farmen eine positive Umweltauswirkung haben.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden vertikale Landwirtschaftsbetriebe primär für den Anbau von Produkten verwendet, für die auf dem Markt hohe Preise erzielt werden wie Kräuter, medizinisch genutzte Pflanzen und Blattgemüse. Getreide, Bohnen, Mais oder Reis, mit denen der Großteil der Welt ernährt wird, werden dort noch nicht angebaut. Für diesen Bedarf reicht die Größe der Betriebe noch nicht aus.

Die vertikale Landwirtschaft steckt noch in den Kinderschuhen. Bisher wurden noch keine umfangreichen Untersuchungen abgeschlossen, die einen umfassenden Vergleich mit herkömmlichen landwirtschaftlichen Verfahren zulassen. Dessen ungeachtet hat sie große Begeisterung ausgelöst, und ihr wurde unlängst auch bedeutende finanzielle Unterstützung zuteil, die aus der vertikalen Landwirtschaft unter Umständen einen Nischenmarkt für die Versorgung der Stadtbevölkerung mit frischen Erzeugnissen macht.

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