Künstliche Wachstumsbedingungen
Diese Kategorie befasst sich mit künstlichen Wachstumsbedingungen in Treibhäusern und künstlichen Wachstumsmedien (z. B. Aeroponik, Hydroponik und sonstige andere Wachstumsmedien als Feldanbau). In Treibhäusern und bei der Nutzung oder Herstellung künstlicher Wachstumsmedien lassen sich die Umweltbedingungen sehr viel besser kontrollieren als beim Feldanbau. Daraus ergeben sich zahlreiche Modellierungs- und Automatisierungsmöglichkeiten, die sämtlich auf gemessenen und eingespeisten Daten beruhen.
- Treibhäuser
Bei intelligenten Treibhäusern handelt es sich um hochmoderne landwirtschaftliche Systeme, die das Wachstumsumfeld für Pflanzen mithilfe integrierter Technologie optimieren. Durch den Einsatz von Sensoren, Automatisierung und Datenanalyse werden verschiedene Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht und Kohlendioxidgehalt überwacht und gesteuert. Weil laufend Daten gesammelt werden, können intelligente Treibhäuser diese Parameter in Echtzeit anpassen und so optimale Bedingungen für das Pflanzenwachstum schaffen. Geräte bzw. Systeme für Heizung, Belüftung, Temperaturregulierung, Beleuchtung und Bewässerung in den Treibhäusern sowie für die Steuerung dieser Systeme ermöglichen eine Fernüberwachung bzw. Fernverwaltung, sodass die Betreiber fundierte Entscheidungen treffen und rasch auf Veränderungen oder Probleme reagieren können.
Sensortechnik und Bildgebung
Moderne Sensoren und Bildgebungssysteme überwachend in Treibhäusern laufend Umweltparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, CO2-Gehalt und Lichtintensität, um stets optimale Wachstumsbedingungen sicherzustellen. Auf Wuchshöhe angebrachte Infrarotkameras können z. B. eine ungleichmäßige Wärmeverteilung erkennen und die Verschattung automatisch anpassen, damit kein Stress für die Pflanzen entsteht. Spektralsensoren können die Reflektion der Blätter messen und so den Gesundheitszustand der Pflanzen ermitteln und auf Nährstoffungleichgewichte hinweisen, bevor sichtbare Symptome auftreten.
Datenverarbeitung und KI
Beim Betrieb von Treibhäusern werden Sensormessergebnisse, historische Klimadaten und Wachstumsmodelle auf Datenplattformen miteinander kombiniert, um so für jede Tageszeit KI-gestützte Entscheidungswerkzeuge zu erhalten. Mithilfe solcher Algorithmen lassen sich Krankheitsausbrüche prognostizieren, denn die Algorithmen erkennen bereits leichte Veränderungen des Mikroklimas oder der Spektralsignaturen der Blätter und empfehlen erforderlichenfalls prophylaktisches Spritzen. So lassen sich einerseits der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und andererseits die Ertragsverluste minimieren. Auch eine Optimierung der Beleuchtung ist möglich, indem die Anteile und die Intensität von rotem, blauem und infrarotem LED-Licht so angepasst werden, wie es für eine schnellere Blüte oder Keimung bzw. zur Förderung des Wachstums erforderlich ist. Das bedeutet, dass die Landwirte nicht mehr auf Probleme reagieren müssen, sondern ein proaktives Nutzpflanzenmanagement durchführen können. Gleichzeitig können sie den Einsatz von Chemikalien verringern und ihre Energiekosten mindern.
Automatisierung und Robotik
Robotersysteme können in Treibhäusern repetitive Arbeiten wie Umtopfen, Schnitt und Ernte übernehmen. Autonom fahrende Wagen transportieren Trays auf Gleisen, und mit weichen Greifelementen bestückte Roboterarme können selektiv reife Früchte ernten oder welke Blätter schneiden. Mithilfe von Förderbändern und Portalrobotern können zu festgelegten Zeitpunkten Pflanzen umgetopft und das Substrat ersetzt werden, sodass der menschliche Arbeitsaufwand minimiert wird. Eine solche integrierte Automatisierung stellt sicher, dass die Pflanzen durchgängig gepflegt werden, erhöht die Arbeitssicherheit und ermöglicht einen 24-Stunden-Betrieb in einem vollständig kontrollierten Umfeld.
Vertikale Landwirtschaft
Vertikale Landwirtschaft bezeichnet eine Methode, bei der Nutzpflanzen in vertikalen, kontrollierten Strukturen wie Türmen oder Regalsystemen angebaut werden. Dabei kommen Hydroponik, Aeroponik oder erdbasierte Wachstumsmedien zum Einsatz. Optimierte Beleuchtung, Temperatur, Feuchtigkeit und Nährstoffversorgung stellen ganzjährig einen größtmöglichen Ertrag pro Quadratmeter sicher. Gleichzeitig werden deutlich weniger Wasser und Anbaufläche benötigt als in der traditionellen Landwirtschaft. Die vertikale Landwirtschaft ist zwar nicht per se als digitale Landwirtschaft einzustufen, aber das Wachstumsumfeld der Pflanzen wird in der Regel außerordentlich sorgfältig überwacht und mithilfe verschiedener digitaler Technologien gesteuert. Die Abstimmung von Feuchtigkeit, Düngung, Licht und Temperatur auf den spezifischen Pflanzenbedarf führt dazu, dass mit minimalem Einsatz ein maximaler Ertrag erzielt wird.
Solarenergie und Energieeffizienz
Treibhäuser verbrauchen sehr viel Energie. Mithilfe verschiedener Maßnahmen lässt sich der Energieverbrauch reduzieren, angefangen bei der Nutzung erneuerbarer Energien wie Solarenergie bis hin zu einem besseren Energiemanagement. Dies gehört streng genommen nicht zur digitalen Landwirtschaft, aber in der Regel wird die Effizienz mithilfe einer digitalen Komponente verbessert. Zudem führt dies zu einem nachhaltigeren Anbau.
- Wachstumsmedien
Hierbei geht es um den Anbau ohne Erde. Pflanzen können in der Luft oder in Flüssigkeit, z. B. Nährlösungen (Hydroponik/Aeroponik/ohne Erde), oder auch in Wachstumssubstraten wachsen. Als Wachstumssubstrat werden in der Landwirtschaft verschiedene Materialien bezeichnet, auf denen Pflanzen wachsen können. Sie stabilisieren die Wurzeln und stellen wichtige Nährstoffe sowie die Versorgung mit Wasser und Luft bereit. Als Substrate dienen z. B. Kokosfasern, Steinwolle, Perlit, Vermiculit, Lavagestein, Sägespäne oder Blähton. Im Gegensatz zu Erde können Wachstumssubstrate auf den spezifischen Pflanzenbedarf und die Wachstumsbedingungen abgestimmt werden, was sie ideal für engmaschig überwachte Umfelder wie Treibhäuser und Hydroponiksysteme macht.
Sensortechnik und Bildgebung
In Hydroponik- und Aeroponik-Systemen messen Sensoren die elektrische Leitfähigkeit, den pH-Wert, den Gehalt an gelöstem Sauerstoff und die Temperatur der Nährlösung, um sicherzustellen, dass Wasser und Mineralien im richtigen Verhältnis an den Wurzeln ankommen. Mithilfe bildgebender Systeme, z. B. Kameras auf Höhe der Wurzeln oder durchsichtiger Pflanzgefäße, lässt sich die Wurzelentwicklung überwachen, sodass Anzeichen für Sauerstoffmangel oder Pathogenbefall erkannt werden können. Eine Unterwasserkamera kann z. B. frühzeitig auf Wurzelbräune aufmerksam machen, sodass die Belüftung sofort verstärkt oder die Nährstoffe angepasst werden.
Steuerung der Nährstoffversorgung in Wachstumssubstraten
Durch die sorgfältige Steuerung der Nährstoffversorgung in Wachstumssubstraten ist sichergestellt, dass die Pflanzen genau die Kombination an Mineralien erhalten, die sie für eine optimale Photosynthese, für die Wurzelentwicklung und einen allgemein guten Gesundheitszustand benötigen. Die pH-Werte und die elektrische Leitfähigkeit werden auf dem passenden Niveau gehalten. So wird verhindert, dass die Pflanzen bestimmte Nährstoffe nicht aufnehmen können und dass es in der Folge zu Mangelerscheinungen kommt, was zu Krüppelwuchs und Ertragsverlusten führen kann. Eine engmaschige Überwachung und Anpassung der Nährstoffkonzentration ermöglicht es, die Ressourcen so effizient wie möglich einzusetzen, Abfälle zu reduzieren und eine konsistentere Ertragsqualität sicherzustellen.
Automatisierung und KI
Datenplattformen sammeln in Echtzeit Daten aus Nährlösungstanks und von Umweltsensoren sowie Kennzahlen zum Pflanzenwachstum und speisen sie in Nutzpflanzenmodelle ein, um daraus KI-Empfehlungen abzuleiten. Mithilfe von maschinellem Lernen lassen sich dynamische Pläne für die Nährstoffversorgung erstellen, bei denen die Nährstoffkonzentration an das Entwicklungsstadium der Pflanzen, die Wasseraufnahme und vorhergehende Wachstumsreaktionen angepasst wird. In Aeroponik-Türmen kann KI Nebelzyklen und die Tropfengröße steuern, um die Sauerstoffversorgung und die Nährstoffaufnahme von Blattpflanzen zu optimieren. Dieses vorausschauende Vorgehen verringert Abfälle, vermeidet, dass die Pflanzen Nährstoffe nicht aufnehmen, und erhöht die Einheitlichkeit in den übereinander gestapelten Anbauregalen.