Neue Forschungsarbeiten zur vertikalen Indoor-Farming könnten dazu beitragen, den Nahrungsmittelbedarf für einen sich wandelnden Planeten zu sichern
Wissenschaftler erforschen, wie eine dynamische Umweltkontrolle in Indoor-Farmen dazu beitragen könnte, eine wachsende Bevölkerung mit nahrhaftem, hochwertigem und lokal angebautem Obst und Gemüse zu versorgen
Um sicherzustellen, dass sich in unserer überfüllten Welt alle Menschen gut ernähren, müssen wir innovativ sein. Vertikale Anbausysteme, bei denen Pflanzen intensiv in Innenräumen gezüchtet werden, könnten ein Teil der Antwort sein. Um sie jedoch in großem Maßstab einsetzen zu können, müssen wir zentrale Probleme lösen, insbesondere die Verwaltung des energieintensiven und teuren Lichts, das die Pflanzen zum Wachsen benötigen. Jetzt zeigen Wissenschaftler, wie die Anpassung des Lichts an die Bedürfnisse bestimmter Pflanzen dazu führen könnte, dass diese stärker und gesünder wachsen und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen.
Dynamische Umweltkontrolle könnte vertikale Agrarsysteme verändern
Kaiser et al/Frontiers
"Der größte Vorteil vertikaler Anbausysteme besteht darin, dass gesunde Lebensmittel viel näher an den Verbrauchern angebaut werden können, und zwar an Orten, an denen dies sonst nicht möglich ist: in Megastädten, in Wüsten und an Orten, die während eines großen Teils des Jahres kalt und dunkel sind", so Dr. Elias Kaiser, Erstautor des Artikels in Frontiers in Science. "Die größte Herausforderung sind die mit dem Stromverbrauch verbundenen Kosten".
Licht in das Problem bringen
Viele vertikale Anbausysteme werden unter konstanten Umgebungsbedingungen betrieben, die viel teuren Strom für die Wartung erfordern. Die Analyse der Wissenschaftler zeigt, dass diese anspruchsvollen Bedingungen unnötig sind: Mit einer dynamischen Umweltkontrolle, so schlagen sie vor, können wir eine vertikale Landwirtschaft erreichen, die kostengünstiger ist und gesündere Pflanzen hervorbringt.
"Wir wurden durch die Rhythmen motiviert, die Pflanzen sowohl auf Tages- als auch auf Entwicklungszeitskalen zeigen und die eine regelmäßige Anpassung ihrer Wachstumsumgebung erfordern, um ihr Wachstum perfekt zu steuern", so Prof. Leo Marcelis von der Universität Wageningen, Hauptautor. "Wir skizzieren eine Strategie, die pflanzenphysiologisches Wissen, neuartige Sensor- und Modellierungstechniken sowie neue Sorten, die speziell für vertikale Anbausysteme gezüchtet wurden, nutzt.
Da die biologischen Funktionen von Pflanzen stark von Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen, Lichtwellenlängen und dem CO₂-Gehalt in der Atmosphäre beeinflusst werden, lässt sich die Entwicklung von Pflanzen in einem vertikalen Anbausystem durch Manipulation der Umwelt beeinflussen. Die Beleuchtung ist eine kritische Variable; alle Pflanzen benötigen sie für die Photosynthese, und verschiedene Lichtwellenlängen haben unterschiedliche Auswirkungen auf verschiedene Pflanzen. Diese Variable reagiert auch besonders empfindlich auf die Strompreise und bietet daher Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung.
"Schwankungen bei den Strompreisen können zum Vorteil von vertikalen Anbausystemen genutzt werden, indem mehr Strom verwendet wird, wenn er billiger ist", erklärt Marcelis.
Die Autoren haben ein Modell zum Testen intelligenter Beleuchtung entwickelt, das darauf abzielt, die Fähigkeit der Pflanzen zur Photosynthese im Laufe eines Tages konstant zu halten und gleichzeitig die Stromkosten zu senken. Sie fanden heraus, dass ein Optimierungsalgorithmus die Stromkosten um 12 % senken konnte, ohne die Kohlenstofffixierung der Pflanzen zu beeinträchtigen, indem er einfach die Lichtintensität variierte.
Anschließend testeten sie, ob sich die unterschiedliche Lichtintensität auf das Wachstum von Blattpflanzen wie Spinat auswirkt, die häufig in vertikalen Farmen angebaut werden, und stellten fest, dass es keine negativen Auswirkungen gab. Dies galt selbst dann, wenn die Pflanzen nicht einem vorhersehbaren, regelmäßigen Muster, sondern unregelmäßig wechselnden Lichtintensitäten ausgesetzt waren.
Die Samen der Zukunft
Bevor die vertikale Landwirtschaft zur Welternährung beitragen kann, müssen noch andere kritische Fragen geklärt werden.
"Viele der vorgeschlagenen Lösungen wurden noch nicht in den größeren Maßstäben getestet, die vertikale Farmen darstellen - sie wurden vielleicht auf der Ebene einer einzelnen Pflanze gezeigt, aber noch nicht auf der Ebene des gesamten Pflanzenbestands", warnte Kaiser.
Die dynamische Anpassung von Luftdurchsatz, Temperatur und CO₂ an die Bedürfnisse der Pflanzen könnte Möglichkeiten zur Minimierung der Stromkosten bieten. Die Landwirte benötigen geeignete Sensoren und Modelle, die ihnen bei der Überwachung und Anpassung der Umgebung helfen, sowie neue, für die vertikale Landwirtschaft gezüchtete Sorten. Diese Sorten könnten das Potenzial der lokalen Produktion unter geschützten Bedingungen nutzen, um sich auf eine bessere Ernährung und sensorische Qualitäten zu konzentrieren, anstatt auf Robustheit oder Haltbarkeit. Weitere Forschung ist erforderlich, um all diese Variablen zu kalibrieren und das richtige Gleichgewicht zwischen hochwertigen und ertragreichen Pflanzen zu finden.
"In einer vertikalen Farm können alle Wachstumsbedingungen genau kontrolliert werden, was für die Optimierung von Ertrag, Qualität und Ressourceneffizienz sehr wichtig ist", so Marcelis. "Die technische Möglichkeit, sie konstant zu halten, bedeutet jedoch nicht, dass dies auch die beste Lösung ist. Sobald sich eine dynamische Umweltkontrolle durchgesetzt hat, können sowohl der Energieverbrauch als auch die Kosten für die eingesetzte Energie erheblich gesenkt werden, was die Rentabilität und Nachhaltigkeit vertikaler Farmen erhöht."
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