Biologisch abbaubare Sensoren revolutionieren die Präzisionslandwirtschaft

Forscher der japanischen Universität Osaka haben eine neue Technologie zur Erfassung der Bodenfeuchtigkeit entwickelt, die auf weitgehend biologisch abbaubaren Sensoren basiert. In der Landwirtschaft werden Sensoren normalerweise in hoher Dichte verwendet – und müssen bislang nach ihrem Gebrauch entfernt werden. Die neu entwickelte Technologie ermöglicht ein hyperdichtes und nachhaltiges System, das abbaubare Sensoren, eine drahtlose Stromversorgung sowie die mit Wärmekamerabildern gesammelten Informationen kombiniert.

Eine dichte Installation von Sensoren in der Landwirtschaft und Nachhaltigkeit widersprechen sich bis zu einem gewissen Maße. Denn oft sind Einsammeln und Entsorgen der verbrauchten Geräte ein Problem. So berichten die Forscher von früheren Studien, bei denen unzählige Sensoren als Pflanzensamen verbreitet wurden, aber schließlich wieder aus dem Boden entfernt werden mussten, weil sie eben nicht abbaubar waren. „Mit anderen Worten: Die Rückgewinnung und Entsorgung von Sensoren ist häufig ein Problem, das die Dichte und die breitere Anwendung von Sensoren in der Landwirtschaft einschränkt“, so die Wissenschaftler.

Den japanischen Forschern zufolge sind die meisten Sensorkomponenten biologisch abbaubar. Das Abfallmaterial hat nur minimale negative Auswirkungen auf die Umwelt. Darüber hinaus trägt die Düngemittelkomponente im Substrat dazu bei, das Pflanzenwachstum zu stimulieren.

Die neuen japanischen Sensoren verwenden ein biologisch abbaubares Nanopapiersubstrat, natürliches Wachs und eine umweltfreundliche Zinnleitung, so die Forscher. Die Sensoren geben ein thermisches Signal ab, das vom Feuchtigkeitsgehalt des Bodens abhängt. Gleichzeitig sammelt die Wärmebildkamera Daten über den Feuchtigkeitsgehalt und den Standort der Sensoren.

In ihrer Studie haben sich die Wissenschaftler auf Bodenfeuchtesensoren konzentriert – diese sind in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Sie können in großer Anzahl auf den Anbauflächen ausgebracht werden, ähnlich wie Dünger. Von dort aus erhalten die Sensoren Energie von drahtlosen Stromversorgungen, die die thermischen Signale – eine Art Mini-Heizung – aktivieren. Die Effizienz der Energieübertragung zu den Sensoren variiert mit dem Feuchtigkeitsgehalt der Bodenoberfläche, gleichzeitig spiegelt sie sich in der Temperatur der Heizung wider. Auf diese Weise lässt sich der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens anhand verschiedener Parameter mit einer Wärmebildkamera bestimmen. Standort und Bodenfeuchte wird anhand der relativen Position der Kamera auf der Bodenoberfläche genau erfasst.

Nach einer bestimmten Nutzungsdauer (z. B. am Ende einer Saison) können die Sensoren kultiviert werden, sodass schließlich die Düngekomponenten aus dem Papiersubstrat an den Boden abgegeben werden.

Eine drahtlose Stromquelle, die mit magnetischer Resonanz gekoppelt ist, speist die Sensoren. Den Forschern zufolge kann das neue System noch weiterentwickelt werden, insbesondere im Hinblick auf die Konfiguration der Sensoren. Denn: In der durchgeführten Studie wurden die Sensoren in einer optimalen Position und bestmöglichen Winkeln für die drahtlose Energieübertragung platziert. In der täglichen landwirtschaftlichen Praxis ist es nicht möglich, die Bodenoberfläche komplett eben zu halten. Deshalb ist es notwendig, die Sensoren und das Energieübertragungssystem zu verbessern, um Unebenheiten im Gelände und Änderungen des Winkels bei der Übertragungsspule auszugleichen.

Eine weitere Aufgabe ist, eine einheitliche Stromversorgung zu entwickeln, um möglichst viele Sensoren zu speisen und so ein potenzielles Hindernis bei der Skalierung des neu entwickelten Systems zu überwinden. Ein weiterer Punkt, bei dem sich noch Optimierungspotenzial offenbart: Die abbaubaren Sensoren müssen so aufgestellt werden, dass sie sich an die Zielkultur und den Installationsort anpassen.

Anwendbar auf viele Bereiche: Die Wissenschaftler aus Osaka weisen darauf hin, dass das vorgestellte Konzept zwar auf Anwendungen in der Landwirtschaft basiert, aber nicht einzig auf diesen Bereich beschränkt ist. Denkbar wäre, es beispielsweise auf die Welt der Logistik auszuweiten, wo große Mengen von Sensoren zur Warenverfolgung gern gesehen sind.

Die zitierte Studie wurde kürzlich in Advanced Sustainable Systems veröffentlicht.

Markt für Präzisionslandwirtschaft

Die sogenannte Präzisionslandwirtschaft oder intelligente Landwirtschaft zeichnet sich durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie dem Internet der Dinge (IoT), Sensoren und weitreichenden Netzwerken mit geringem Energieverbrauch, künstlicher Intelligenz (KI) und Satelliten aus. All diese Technologien tragen dazu bei, die Produktivität und Nachhaltigkeit im landwirtschaftlichen Sektor zu steigern: Wenn sich präzise Informationen über Bewässerungswasser, Düngemittel, Nährstoffe, Herbizide und Pestizide erheben lassen, sind diese Ressourcen viel zielgerichteter einsetzbar.

Nach Untersuchungen von Straits Research wird der Markt der Präzisionslandwirtschaft bis 2030 weltweit voraussichtlich 66,8 Milliarden US-Dollar erreichen – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 18,4 % im Prognosezeitraum ab 2022. Nordamerika ist die am weitesten fortgeschrittene Region in Bezug auf den landwirtschaftlichen Einsatz von Digitaltechnik.

Der Markt lässt sich grundlegend in Hardwaresysteme, Software und Dienstleistungen unterteilen. Das Hardwaresegment ist führend in der intelligenten Landwirtschaft, gefolgt von Dienstleistungen.