Um die wachsende Weltbevölkerung mit nachhaltigen und frischen Lebensmitteln zu versorgen, werden innovative Lösungen und neue Technologien gebraucht. Ein vielversprechender Ansatz ist das Vertical Indoor-Farming, also der Anbau von Fruchtgemüse oder Obst in übereinanderliegenden Kultursystemen in Innenräumen.
Um diesen zu optimieren und damit praxistauglicher zu gestalten, arbeitet die TH Köln im Projekt „Smarte Pflanze“ an einem intelligenten Beleuchtungssystem. Dieses soll auf Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) für ein effizienteres Pflanzenwachstum sorgen und Energie einsparen.
„Beim Vertical Farming werden Pflanzen in Etagen in einer geschlossenen Gebäudestruktur angebaut, also in Containern, Hoch-, Lager- oder Gewächshäusern. Das ermöglicht es, große Mengen von Lebensmitteln auf kleinem Raum und in unmittelbarer Umgebung der Verbraucher*innen zu erzeugen – und das in gleichbleibender Qualität und unabhängig von Saison und Klima“, sagt Prof. Dr. Mohieddine Jelali vom Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der TH Köln. Denn die vertikale Landwirtschaft sei unabhängig von äußeren Bedingungen wie Sonne, Witterung, Unkraut oder Schädlingen. Dadurch würden weniger Düngemittel benötigt. Zudem könne Wasser eingespart werden, da es in den vertikalen Systemen zum Großteil wiederverwendbar sei.
Eine der größten Herausforderungen beim Vertical Farming ist die Beleuchtung der Pflanzen, wie Jelali erklärt: „Diese ist ein wesentlicher Faktor, der das Wachstumsverhalten der Pflanzen beeinflusst. Aktuelle Studien zeigen, dass mehr als 50 % des Energieverbrauchs von vertikalen Farmen durch die Beleuchtung entsteht. Das macht etwa 40 Prozent der gesamten Produktionskosten aus.“ Zwar hätten LED-Beleuchtungskonzepte die Energieeffizienz in den vergangenen Jahren deutlich erhöht, mit Blick auf steigende Strom- und Wärmepreise sei die vertikale Landwirtschaft aber stark gefährdet.
Entwicklung von smarten LED-Modulen – Tests an Chilis und Erdbeeren
Um die Beleuchtung effizienter zu gestalten, entwickelt das Team des Instituts geneinsam mit dem Projektpartner, der BOEKS GmbH, LED-Module mit integrierten Kameras und Sensoren. Ziel ist es, Pflanzenwachstum und -entwicklung automatisiert zu überwachen. So sollen Algorithmen die aufgenommenen Bilder analysieren, um Wachstumsmuster zu identifizieren, Krankheiten zu erkennen und die Gesundheit der Pflanzen zu kontrollieren. „Das ermöglicht es, die Lichtverhältnisse je nach Wachstumsstadium und Zustand anzupassen. Zudem können durch die gewonnenen Daten fundierte Entscheidungen in Bezug auf Temperatur- und Nährstoffmanagement getroffen werden“, so Jelali.
Die smarten LED-Module sollen anschließend in einen hydroponischen Demonstrator integriert werden, der ebenfalls im Rahmen des Projekts entstehen soll. In hydroponischen Systemen werden Pflanzen, in diesem Fall Chilis und Erdbeeren, ohne Erde angebaut. Die benötigten Nährstoffe und Düngemittel werden in flüssiger Form an die Wurzeln herangebracht. „Wir werden die Pflanzen unter verschiedenen Wachstumsbedingungen züchten und in regelmäßigen Abständen fotografieren, um einen ausreichend großen Datensatz zu erhalten, mit dem ein maschinelles Lernmodell trainiert werden kann. Dieses soll auf Grundlage der erfassten Bilder dann Pflanzenwachstumsstadien erfassen und klassifizieren können, um eine geeignete Beleuchtung auszuwählen“, erklärt Jelali.
Die im Projekt zu entwickelnden Lösungsansätze sollen dazu beitragen, das Potenzial der vertikalen Landwirtschaft auszuschöpfen und eine marktreife Technologie zu entwickeln, wie Jelali weiter erläutert: „Nachdem der globale Vertical-Farming-Markt während der Corona-Pandemie rückläufig war, attestieren ihm aktuelle Analysen für die kommenden Jahre steigende Wachstumsraten. Allerdings steht die vertikale Landwirtschaft noch vor einigen Herausforderungen und befindet sich derzeit in einer Phase der technologischen Entwicklung. Mit den im Projekt zu erarbeitenden Lösungsansätzen wollen wir einen Beitrag dazu leisten, diese Hürden zu bewältigen.“
Über das Projekt
Das Forschungsprojekt „Vertikales Anbausystem mit intelligenten Beleuchtungs- und Machine Vision-Modulen zur Optimierung des Pflanzenwachstums von Chilis und Erdbeeren“ (Smarte Pflanze) wird an der TH Köln von Prof. Dr. Mohieddine Jelali vom Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik geleitet. Kooperationspartner ist die BOEKS GmbH. Das Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz über einen Zeitraum von zwei Jahren mit rund 215.000 Euro gefördert.
