Die Optiktechnologie eröffnet Landwirten neue Möglichkeiten zur Steigerung ihres Ertrags
Optimierte optische Strahler und Sensoren helfen Landwirten dabei, den Ressourceneinsatz besser zu steuern und die Erträge zu steigern.
Wie optische Technologien die moderne Landwirtschaft beeinflussen
Die Optiktechnologie eröffnet Landwirten neue Möglichkeiten zur Steigerung ihres Ertrags
Die Landwirtschaft gerät gleichzeitig aus mehreren Richtungen unter Druck. Gehindert durch die Knappheit wichtiger Ressourcen – wie Süßwasser und Arbeitskräfte für den Anbau und die Ernte von Feldfrüchten sowie die Viehhaltung – sehen sich die Landwirte zudem mit der Forderung konfrontiert, die Produktion zu steigern, um den Nahrungsmittelbedarf einer Weltbevölkerung zu decken, die Prognosen zufolge von heute 8,2 Milliarden auf 9 Milliarden im Jahr 2037 ansteigen wird. Laut einer Prognose der Vereinten Nationen wird die Weltbevölkerung Mitte der 2080er Jahre voraussichtlich einen Höchststand von 10,3 Milliarden erreichen.
Der Klimawandel und der Bevölkerungsdruck haben bereits frühere „grüne Revolutionen“ ausgelöst, die durch den verbesserten Einsatz von Düngemitteln, eine intensivere Mechanisierung und genetische Durchbrüche zu Ertragssteigerungen geführt haben. Dabei wurden Saatgutsorten gezüchtet, die mehr Ertrag pro Hektar liefern und gleichzeitig widerstandsfähiger gegen Dürre, Krankheiten oder andere Stressfaktoren sind. Die großen Gewinne durch diese Methoden wurden jedoch bereits erzielt, und diese technologischen Lösungen bieten mittlerweile nur noch abnehmende Erträge. Es ist an der Zeit, dass die Landwirtschaft neue intelligente Technologien für den landwirtschaftlichen Betrieb der Zukunft einsetzt.
Zu diesen intelligenten Technologien gehören Beleuchtungssysteme für Indoor-Farmen, Lichtsensoren zur zerstörungsfreien Prüfung von Erzeugnissen sowie optische Navigationssysteme für Agrarroboter. ams OSRAM ist bereit, seine optische Halbleitertechnologie in den Dienst dieser Branche zu stellen, von der jeder Mensch auf der Erde abhängig ist.
Linderung von Wasserstress durch optimal beleuchtete Indoor-Farmen
Laut einem Artikel aus dem Jahr 2024 im „Journal of Water Process Engineering“ sind „rund 4 Milliarden Menschen von schwerer Wasserknappheit betroffen“. Faktoren wie die globale Erwärmung und die Urbanisierung sind wichtige Ursachen für Wasserknappheit, doch laut der Studie werden 80 bis 90 Prozent des gesamten Süßwassers von der Landwirtschaft verbraucht, während deren Wassernutzungseffizienz im Durchschnitt nur bei 45 Prozent liegt.
Die Notwendigkeit, Wasser zu sparen, hat der wachsenden Zahl von Indoor-Farmen und Gewächshäusern Auftrieb gegeben. Dies liegt daran, dass diese Anlagen einen geschlossenen Wasserkreislauf umsetzen können, bei dem der von den Pflanzen freigesetzte Wasserdampf aufgefangen und für die Bewässerung wiederverwendet wird.
Indoor-Farmen, die lokale städtische Gemeinden versorgen und leicht verderbliche Pflanzen wie Salat, Tomaten und Erdbeeren anbauen, tragen dazu bei, die Klimaauswirkungen der Landwirtschaft zu verringern, indem sie die Transportwege drastisch verkürzen, da der Anbau in der Nähe der Verbraucher und der Verkaufsstellen stattfindet.
Die Indoor-Landwirtschaft wird dank verbesserter Anwendungen hocheffizienter LEDs wirtschaftlich immer attraktiver – dabei handelt es sich manchmal um LEDs mit weißem Licht, zunehmend jedoch um Kombinationen aus blauen und hyperroten Emittern, die das effizienteste Wachstumslicht liefern.
LEDs von ams OSRAM werden sowohl für ihre Qualität als auch für ihren Wirkungsgrad hoch geschätzt; dieser ist ein Maß dafür, wie viel elektrische Energie direkt in Licht umgewandelt wird. Die Qualität von LED-Leuchten für den Gartenbau hat einen starken Einfluss auf die Produktivität: Eine Leuchte, die eine präzise gesteuerte Abstrahlung einer pflanzenspezifischen Wellenlängenmischung, Intensität und eines bestimmten Abstrahlmusters ermöglicht, versetzt Erzeuger in die Lage, die Beleuchtung für jede Pflanzenart zuverlässig zu optimieren und so mit möglichst geringem Energieaufwand höchste Erträge zu erzielen. Darüber hinaus haben Untersuchungen gezeigt, dass eine aktive, spektral optimierte Beleuchtung eine erhebliche Reduzierung des Pestizideinsatzes bei Kulturpflanzen ermöglicht.
In Gewächshäusern wird LED-Beleuchtung zudem mit Lichtsensoren kombiniert, die messen, wie viel Sonnenlicht eine Kultur erreicht, und sogar die spektralen Eigenschaften des Umgebungslichts analysieren. Anhand dieser Daten können Landwirte bestimmen, wann natürliches Sonnenlicht durch LED-Beleuchtung ergänzt werden muss, um den Pflanzen die optimale Intensität und Farbe der Beleuchtung zu bieten, während gleichzeitig Energie und Kosten eingespart werden, indem die künstliche Beleuchtung ausgeschaltet oder ihre Intensität reduziert wird, sobald ausreichend Umgebungslicht vorhanden ist.
Je nach Entfernung können hier auch dTof- oder Näherungssensoren zum Einsatz kommen, indem sie den Abstand zwischen einer Pflanze und einer Leuchte messen: Wenn die Pflanze in Richtung der Leuchte wächst, kann die den LEDs zugeführte Leistung reduziert werden. Dadurch wird der Tendenz der höheren Blätter Rechnung getragen, den unteren Teil einer Pflanze zu beschatten. Ohne diese Möglichkeit, die Lichtleistung entsprechend der Nähe einer Pflanze anzupassen, erzeugt die Leuchte mehr Licht, als die Pflanze für die Photosynthese nutzen kann, was zu einer Verschwendung von elektrischer Energie führt.
Minimierung von Lebensmittelabfällen durch zerstörungsfreie Prüfung
Nach Angaben des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) fielen im Jahr 2022 weltweit 1,05 Milliarden Tonnen Lebensmittelabfälle an, was 132 kg pro Person entspricht. Das UNEP gibt an, dass von der gesamten im Jahr 2022 verschwendeten Lebensmittelmenge 60 Prozent in den Haushalten anfielen, während 28 Prozent auf die Gastronomie und 12 Prozent auf den Einzelhandel entfielen.
Abfälle entstehen auch bereits weiter vorgelagert, beim Transport der Erzeugnisse vom landwirtschaftlichen Betrieb sowie sogar direkt auf dem Betrieb selbst. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass es für Erzeuger schwierig ist, ihre Produkte über komplexe Lieferketten zu transportieren. Da zwischen der Ernte und dem Erscheinen des Produkts im Supermarktregal manchmal Wochen vergehen, müssen Erzeuger langfristige Prognosen darüber erstellen, wie lange es dauern wird, bis ihre Ernte reif ist. Wird die Ernte zu spät geerntet, könnte sie verderben, bevor sie den Kunden erreicht, was den Berg an Lebensmittelabfällen weiter anwachsen lässt. Wird sie zu früh geerntet, hat die Ernte noch nicht ihre volle Größe erreicht, was den Ertrag einschränkt und den Gewinn des Erzeugers gefährdet.
Die Nahinfrarotspektrometrie (NIR) bietet eine Möglichkeit, den Zustand von Nutzpflanzen auf ihrem gesamten Weg vom Feld bis auf den Teller zu überwachen, und trägt so dazu bei, die Verschwendung zu verringern, die entsteht, wenn Lebensmittel vor dem Verzehr verderben. Die NIR-Spektrometrie ist ein etablierter Wissenschaftszweig der Materialanalyse. Sie kann zur Messung des Zucker- und Wassergehalts von Kulturpflanzen wie Obst eingesetzt werden: Diese Messungen liefern einen Anhaltspunkt für den Reifegrad der Früchte.
Das Spektrometer arbeitet zerstörungsfrei, indem es die Reflexionen einer auf die jeweilige Kultur gerichteten NIR-Lichtquelle misst. Bislang erforderte die NIR-Spektrometrie riesige, teure Laborgeräte, die für den Einsatz auf dem Bauernhof, im Lager oder im Supermarkt ungeeignet waren.
Mittlerweile lassen sich jedoch spektrale Sensoren im Chip-Maßstab, die im sichtbaren und im NIR-Spektrum empfindlich sind, in kostengünstige, tragbare Spektrometer integrieren, die von Landwirten, Lebensmittelverarbeitern und Einzelhändlern genutzt werden können. Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für spektrale Sensoren wie den AS7343, von der Ernte über die Sortierung bis hin zur Vermarktung.
Neue Forschungsergebnisse beschreiben zudem das Potenzial spektraler und optischer Sensorik in der Indoor-Landwirtschaft, beispielsweise zur Analyse von Pflanzengewebe, zur Bewertung von Erntequalität und -ertrag, zur Messung von Nährstoffen sowie zur Beurteilung der Reaktionen von Pflanzen auf Stress.
Fortschrittliche Automatisierung entlastet das überlastete Personal
Drohnen werden häufig für Überwachungslösungen aus der Vogelperspektive an Bodenanlagen oder zur Inspektion unzugänglicher Bereiche wie Windkraftanlagen eingesetzt, während Roboter Aufgaben in der Fertigung und Logistik unterstützen. Tatsächlich können jedoch beide Technologien dazu beitragen, eine Lösung für den sich abzeichnenden Mangel an Arbeitskräften in der Landwirtschaft zu bieten.
Insbesondere in den hochindustrialisierten Teilen der Welt altert die Bevölkerung, und das Verhältnis von Rentnern zu Erwerbstätigen steigt. Daher verschärft sich der Wettbewerb um Menschen im erwerbsfähigen Alter in allen Wirtschaftsbereichen. Dieser Trend macht sich zweifellos auch in der Landwirtschaft bemerkbar: Untersuchungen der Europäischen Union zeigen, dass 57,6 % der landwirtschaftlichen Betriebsleiter in Europa älter als 54 Jahre waren, während nur 11,9 % unter 40 Jahre alt waren. Die europäische Landwirtschaft steht vor einer Arbeitskräftkrise, da die heutige Generation von Landwirten in den Ruhestand geht.
Die Automatisierung kann wesentlich dazu beitragen, die Auswirkungen des Mangels an landwirtschaftlichen Arbeitskräften abzumildern. Roboter werden heute bereits für Anbaufunktionen wie Unkrautbekämpfung und Aussaat eingesetzt. An einem Roboter montiert, können leistungsstarke Lichtquellen wie blaue Laser zur Unkrautbekämpfung und UV-LEDs zur Vorbereitung des Bodens für die Aussaat genutzt werden, wodurch der Einsatz von Pestiziden reduziert wird. Künstliche Intelligenz (KI) wird es Robotern zunehmend ermöglichen, Pflanzenarten zu unterscheiden, indem sie Bilder von Blättern analysieren, die von robusten Bildsensoren aufgenommen wurden.
Um Landarbeiter von Aufgaben wie Unkrautjäten, Säen und Pflügen zu entlasten, müssen Roboter und Traktoren autonom navigieren: Hier ermöglicht eine Reihe von Entfernungs- und Erkennungssensoren dem Gerät, seine Umgebung zu „sehen“, Objekte zu erkennen und ihnen auszuweichen sowie gleichzeitig Ortungs- und Kartierungsfunktionen auszuführen.
Die Automatisierung kann auch mit Drohnen Einzug halten, sodass Landwirte ihre Felder vom Schreibtisch ihres Betriebsbüros aus kartieren und überwachen können. Auch hier kommt optische Sensortechnologie zum Einsatz: So kann beispielsweise die Kurzwellen-Infrarot-Sensortechnologie (SWIR) die Bodenfeuchtigkeit aus großer Höhe messen, und Kameras ermöglichen die Fernüberwachung des Zustands der Pflanzen auf den Feldern.
Besser für die Gesellschaft, besser für den Erzeuger
Der Einsatz fortschrittlicher optischer Halbleiter verspricht, einer neuen Generation technikaffiner Landwirte die Möglichkeit zu geben, ihre Produktivität zu steigern und ihre Betriebsabläufe zu automatisieren, während gleichzeitig der Einsatz von Betriebsmitteln wie Wasser, Pestiziden und Düngemitteln reduziert wird. Durch die Nutzung des Potenzials innovativer optischer Technologien kann die Landwirtschaft auch angesichts der Herausforderungen des Klimawandels und der alternden Bevölkerung weiterhin eine wachsende Weltbevölkerung ernähren.