#Chip Happens-Podcast: Staffel 4, Folge 2 | Der digitale Acker
Der Podcast »Chip Happens – Kleine Dinge, die alles verändern« von Chipdesign Germany beleuchtet die Bedeutung der Mikroelektronik für die Bewältigung gesellschaftlicher, wirtschaftlicher und technologischer Herausforderungen. In der vierten Staffel mit dem Titel »Farm to Fork« steht die gesamte Wertschöpfungskette der Ernährung im Fokus. Die Staffel untersucht fundiert, wie technologische Innovationen von der landwirtschaftlichen Erzeugung bis zur Verarbeitung und zum Endverbrauchdazu beitragen können, Lebensmittelproduktion und Versorgung langfristig zu sichern.
Staffel 4, Folge 2 | Der digitale Acker
Die zweite Episode befasst sich unter dem Titel »Der digitale Acker« intensiv mit der fortschreitenden Technologisierung der landwirtschaftlichen Primärproduktion, die angesichts eines massiven Rückgangs der Erwerbstätigenzahlen bei gleichbleibenden Bewirtschaftungsflächen sowie verschärfter ökologischer Auflagen eine existenzielle Relevanz besitzt. Als Gäste ordnen Marie Saudhof, eine zukunftsorientierte Junglandwirtin und Betriebsleiterin eines 400 Hektar großen landwirtschaftlichen Betriebs, sowie Benedikt Loepp, Leiter der Produktgruppe AI for Agrifood am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS, die aktuellen Anwendungsbereiche und zukünftigen Entwicklungen mikroelektronischer Systeme ein. Die Diskussion spannt den Bogen von bereits etablierten satellitengestützten Steuerungssystemen und autonom agierenden Feldrobotern im Ökolandbau über den aktuellen Testeinsatz künstlicher Intelligenz bei der Satellitenbildanalyse bis hin zur zukunftsweisenden Erforschung biologisch abbaubarer Bodensensoren zur lückenlosen Überwachung von Umweltparametern.
Worum geht es in der Folge?
Marie Saudhof über Digitalisierung in der landwirtschaftlichen Betriebspraxis und den Einsatz von Feldrobotik |
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Situation: |
Die Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Nutzflächen in Deutschland erfolgt heute mit einem Bruchteil des historischen Personaleinsatzes, was eine hochgradige Mechanisierung erfordert. Im modernen Betrieb wird die Betriebsführung über digitale Agrarsoftware für die Anbau- und Fruchtfolgeplanung koordiniert, während Arbeitsaufträge digital an die Beschäftigten übermittelt werden. Die eigentliche Feldarbeit wird durch G.P.S.- und R.T.K.-gestützte Traktoren sowie Anbaugeräte mit Sektionskontrolle (Section Control) und ISO-Bus-Steuerung durchgeführt, um Überlappungen beim Saatguteinsatz zu vermeiden. Bei der anschließenden Ernte erfolgt eine automatisierte Parametererfassung bezüglich Feuchtigkeit und Erntemenge über den Mähdrescher. |
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Problemstellung: |
Die präzise Steuerung moderner landwirtschaftlicher Maschinen über lange Arbeitszeiten hinweg erfordert eine extreme Konzentration des Bedienpersonals, was bei konventionellen Systemen zu schneller Ermüdung führt. Zudem belasten zeitaufwendige physische Feldkontrollen zur Risiko- und Zustandserkennung die Arbeitszeitkapazitäten erheblich. Der Einsatz autonomer Feldroboter wird derzeit durch gesetzliche Rahmenbedingungen stark limitiert, welche strenge Obergrenzen für das Gesamtgewicht und die Arbeitsgeschwindigkeit vorschreiben. Darüber hinaus sind vollautonome Systeme im Praxiseinsatz hochgradig störungsanfällig, erfordern eine kontinuierliche menschliche Überwachung in mehreren Schichten und leiden unter Signalunterbrechungen des satellitengestützten Steuerungssystems. |
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Lösungsansätze / Innovationspotenziale: |
Die Entlastung des Personals wird durch automatisierte Spurführungssysteme und digitales Vorgewendemanagement realisiert, bei dem die Maschine am Feldende selbstständig aushebt, wendet und die Spur neu ansetzt. Zur Optimierung der Feldkontrolle wird eine künstliche Intelligenz erprobt, welche täglich Satellitenbilder und Bodenfeuchtekarten analysiert, eine Risikobewertung bezüglich Krankheiten wie Gelbrost oder Mehltau erstellt und maßgeschneiderte Audio-Briefings für die Betriebsleitung generiert. Im Ökolandbau ersetzen mechanische Feldroboter, die sich die exakte R.T.K.-Position jedes einzelnen abgelegten Saatkorns im System abspeichern und dieses blind mechanisch umhacken, den extrem kostenintensiven Einsatz manueller Handarbeitskräfte zur Beikrautregulierung. |
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Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf: |
Es besteht ein erheblicher Optimierungsbedarf hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Validität der KI-basierten Handlungsempfehlungen, da die Technologie in der aktuellen Testphase noch eine parallele physische Kontrolle erfordert. Optische Satellitendaten stoßen im Ökolandbau an Grenzen, da das Samenpotenzial im Boden oder auflaufendes Unkraut vor dem Durchstoßen der Oberfläche technologisch nicht erfasst werden kann. Für eine flächendeckende Automatisierung müssen zudem die Stabilität des G.P.S.- beziehungsweise R.T.K.-Signals verbessert sowie KI-gestützte Systeme entwickelt werden, die rechtliche und administrative EU-Richtlinien für den Landwirt automatisiert in verständliche Handlungsschritte übersetzen und so die mentale Belastung senken. |
Benedikt Loepp über das Forschungsprojekt Farmscan und biologisch abbaubare Sensornetzwerke |
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Situation: |
Die präzise Erfassung von Bodenparametern basiert im digitalen Ackerbau derzeit entweder auf großflächigen Satellitenbildern, die stark wetterabhängig und räumlich limitiert sind, oder auf stationären Bodensensoren, die aufgrund ihrer Anschaffungskosten nur punktuell eingesetzt werden können. Im Forschungsprojekt Farmscan am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS wird an einer Alternative gearbeitet, die ein räumlich hochaufgelöstes, echtzeitnahes und wetterunabhängiges Bild des Bodenzustands direkt von der Ackerfläche liefert. |
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Problemstellung: |
Die Ausbringung einer Vielzahl konventioneller Sensoren auf landwirtschaftlichen Flächen führt zu logistischen und ökologischen Problemen, da die Geräte nach dem Ende der Erntesaison aufwendig wieder eingesammelt werden müssten, um eine Verunreinigung des Bodens mit Elektronikschrott und Schadstoffen zu vermeiden. Die technologische Herausforderung besteht darin, Leiterplatten, Gehäuse und sensorische Komponenten so zu konstruieren, dass sie robust genug für die Messperiode sind, sich danach jedoch rückstandslos zersetzen. Zudem schränken die begrenzte Reichweite und die Energieversorgung der drahtlosen Datenübertragung den praktischen Einsatz in der Fläche ein. |
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Lösungsansätze / Innovationspotenziale: |
Das Projekt realisiert ein System aus extrem kostengünstigen Sensoren, die zu Beginn der Saison auf den Feldern ausgebracht werden und über ein kapazitives Messprinzip kontinuierlich den Bodenwassergehalt beziehungsweise die Bodenfeuchte überwachen. Der technologische Clou liegt in der vollständigen biologischen Abbaubarkeit des Trägermaterials und des Sensordesigns. Durch die Verwendung minimal dimensionierter, herkömmlicher Transponder-ICs von wenigen Millimetern Größe sind die verbleibenden metallischen Bestandteile nach der Zersetzung der restlichen Komponenten so geringfügig, dass sie keinerlei schädliche Auswirkungen auf das Ökosystem des Bodens haben. Die Energieversorgung erfolgt batterielos über die RFID-Technologie, wobei die notwendige Energie direkt vom Lesegerät eingekoppelt wird. |
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Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf: |
Ein zentraler offener Forschungspunkt betrifft den Logistikprozess der optimalen Sensorausbringung, wobei Verteilungssysteme über herkömmliche Sämaschinen oder der gezielte Abwurf mittels Drohnentechnologie evaluiert werden. Da stationäre Lesemasten für die Praxis zu teuer sind, konzentriert sich die Entwicklung auf mobile Ausleseverfahren via Drohnenüberflug oder die Integration von RFID-Empfängern in landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge und Smartphones. Zur Überwindung der aktuellen Reichweitenbegrenzung von rund 50 Metern wird an modifizierten Übertragungsmethoden geforscht. Perspektivisch soll die Sensorik zudem über die Bodenfeuchte hinaus für komplexere chemische Parameter wie den Nitratgehalt, den pH-Wert und allgemeine Nährstofflevel erweitert werden. |
Die Digitalisierung des Ackers verdeutlicht, dass die Transformation der Landwirtschaft untrennbar mit den Innovationen der Mikroelektronik verknüpft ist. Die intelligente Verknüpfung von autonomer Robotik als ausführender Kraft und künstlicher Intelligenz als analytischer Instanz bietet das Potenzial, die Effizienz im konventionellen Anbau wie auch im Ökolandbau signifikant zu steigern. Gleichzeitig zeigen zukunftsweisende Ansätze wie das Projekt Farmscan, dass Elektronikkomponenten durch biologisch abbaubare Materialien ökologisch nachhaltig in natürliche Kreisläufe integriert werden können, um den Anforderungen des Klimawandels und des Ressourcenschutzes zu begegnen.
Hier geht es zur zweiten Folge der vierten Staffel
In der kommenden Folge von »Chip Happens« wird beleuchtet, wie Mikroelektronik gezielt zur Rettung der Ernte beiträgt. Im Mittelpunkt stehen dabei hochspezialisierte Drohnensysteme, die im Sinne des biologischen Pflanzenschutzes Schädlinge mittels Schlupfwespen autonom und vollständig ohne den Einsatz chemischer Wirkstoffe bekämpfen.
