#Chip Happens-Podcast: Staffel 4, Folge 3 | Wie Mikroelektronik die Ernte rettet

Situation:

Die moderne Landwirtschaft agiert in einem dynamischen Spannungsfeld aus der Notwendigkeit stabiler Ernteerträge und der strikten Einhaltung gesetzlicher Rahmenbedingungen. Besondern relevant sind hier die Richtlinien der Europäischen Union zur Reduktion von Düngemitteln und Pflanzenschutz. Während das traditionelle agrarische Erfahrungswissen und die individuelle Bodenbewertung weiterhin die Basis bilden, erfordert der globale Wettbewerb eine zunehmende technologische Unterstützung auf dem Feld und im Stall.

Problemstellung:

Die Heterogenität von Ackerböden erschwert eine homogene Bewirtschaftung. Die Nährstoffbedarfe innerhalb einer einzigen Parzelle können nämlich stark variieren. Eine pauschale Ausbringung führt unweigerlich zu einer lokalen Überdüngung, die ökologische Risiken sowie die Gefahr von Ernteverlusten durch Lagergetreide bei Starkregen birgt. Gegeben falls kann sie auch zu Unterversorgungen führen, die qualitative Einbußen nach sich ziehen. Zudem führen unkontrollierte Überlappungen beim Pflanzenschutzmitteleinsatz zu Ineffizienzen und unzulässigen Wirkstoffkonzentrationen.

Lösungsansätze / Innovationspotenziale:

Die Implementierung von sensor- und softwaregestützten Systemen direkt auf der Zugmaschine ermöglicht eine teilflächenspezifische Echtzeit-Bewirtschaftung. Durch die Kombination von historischen Bodenprobenanalysen mit digitalen Ertragskarten und den Live-Messdaten eines an der Fahrzeugfront installierten Stickstoffsensors wird die Düngemenge während der Fahrt vollautomatisch an den realen Pflanzenbedarf angepasst. Im Bereich des Pflanzenschutzes minimieren satellitengestützte Bestandsüberwachungen im Zusammenspiel mit meteorologischen Daten das Krankheitsrisiko durch präzise Prognosen. Gleichzeitig sorgen automatisierte Schaltungstechnologien an den Feldspritzen dafür, dass Überlappungen an den Wendepunkten zuverlässig verhindert werden.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf:

Herausforderungen bestehen in der vollständigen Interoperabilität unterschiedlicher digitaler Maschinensysteme sowie in der Weiterentwicklung künstlicher Intelligenzen zur präziser Vorhersage spezifischer Pflanzenkrankheiten auf Individualebene. Zudem bedarf es einer kontinuierlichen Optimierung der Benutzeroberflächen, um einen reibungslosen Fahrerwechsel und die fehlerfreie Datenübergabe im laufenden Betrieb zu garantieren.

Situation:

Der Anbau von Nutzpflanzen wie Futter- und Süßmais ist einer ständigen Bedrohung durch hochgradig destruktive Insektenpopulationen ausgesetzt. Die konventionelle Bekämpfung stützt sich primär auf chemisch-synthetische Präparate. Jedoch wird deren Anwendung gesellschaftlich und regulatorisch zunehmend restriktiv gehandhabt wird, weshalb biologische Alternativverfahren an Relevanz gewinnen.

Problemstellung:

Der Larvenfraß des Maiszünslers zerstört die Pflanzenstängel von innen heraus, induziert sekundären Pilzbefall und kann im Extremfall zu einem vollständigen Ernteausfall führen. Dieser macht die Ware unvermarktbar. Eine rein biologische Bekämpfung mittels der parasitierenden Trichogramma-Schlupfwespe scheiterte in der Praxis bislang an der logistischen Herausforderung, die flugunfähigen Nützlinge zeitnah, flächendeckend und in hoher Stückzahl in den unzugänglichen, hochgewachsenen Maisbeständen auszubringen.

Lösungsansätze / Innovationspotenziale:

Der Einsatz spezialisierter, proprietärer Drohnensysteme ermöglicht die vollautomatisierte, GPS-gesteuerte Ausbringung der Nützlinge aus der Luft. Auf Basis von behördlichen Warndiensten und Temperaturmodellen wird der optimale Schlupfzeitpunkt ermittelt. Die Drohnen überfliegen die Areale automatisiert in einer definierten Höhe und werfen über mechanische Abwurfbehälter im exakten Zehn-Meter-Raster biologisch abbaubare Pappkugeln ab, die Tausende Schlupfwespen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien enthalten. Dadurch wird die Flora und Fauna abseits des Zielschädlings vollständig geschont wird.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf:

Die Skalierung des Verfahrens hängt maßgeblich von einer hochgradig präzisen, temperaturgeführten Just-in-time-Logistik ab, da die gezüchteten Organismen extrem zeitsensibel geliefert werden müssen. Technologischer Entwicklungsbedarf besteht in der Erhöhung der Akkukapazitäten und der Nutzlast der Drohnen. Auch an der Optimierung der automatisierten Abwurfsensorik zur Vermeidung von Blockaden im Ausbringungsmechanismus unter variierenden Witterungsbedingungen muss noch weiter geforscht werden.

Situation:

Um Ressourcen im Pflanzenbau maximal effizient zu nutzen, ist eine präzise Kenntnis des aktuellen physiologischen Zustands der Kulturpflanzen notwendig. Klassische Sensornetzwerke basieren meist auf siliziumbasierten Mikrochips, die als Fremdkörper in die landwirtschaftliche Umwelt eingebracht werden müssen.

Problemstellung:

Der flächendeckende Einsatz konventioneller Elektronikbauteile auf dem Feld birgt das Risiko der Umweltkontamination durch Elektronikschrott, Batterierückstände und Halbleitermaterialien, wenn Pflanzen absterben oder geerntet werden. Zudem erfordert die Erfassung des tatsächlichen Wasser- und Photosynthesestatus direkt auf der Blattoberfläche extrem leichte, flexible und biokompatible Schnittstellen, die den natürlichen Organismus nicht beeinträchtigen.

Lösungsansätze / Innovationspotenziale:

Am Fraunhofer EMFT wird ein innovatives Spray-Coating-Verfahren entwickelt, bei dem mittels einer Schablone eine flüssige, leitfähige Polymerstruktur direkt auf das lebende Pflanzenblatt aufgesprüht wird. Diese gedruckte Struktur fungiert ohne die Integration von Siliziumchips oder Batterien als passives elektrisches Bauteil mit spulen- und kondensatorartigen Eigenschaften. Da sich die elektrischen Parameter des Polymers in Abhängigkeit vom internen Wassergehalt und der molekularen Dynamik der Photosynthese verändern, lassen sich die Vitalitätsdaten der Pflanze drahtlos abfragen. Das ermöglicht eine hochgradig bedarfsgerechte Bewässerung.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf:

Der Forschungsfokus liegt auf der Langzeitstabilität der leitfähigen Polymere unter realen, wechselhaften Umweltbedingungen wie Niederschlägen und UV-Strahlung sowie auf der Übertragung des Laborverfahrens in die landwirtschaftliche Feldskalierung. Die Erweiterung der sensorischen Kapazitäten auf die Detektion spezifischer Nährstoff- und Molekularveränderungen befindet sich in der theoretischen und experimentellen Erprobungsphase. Parallel werden Spin-off-Anwendungen für den Bereich der Gebäudetechnik untersucht.