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.
Bis 2050 muss die Lebensmittelproduktion Studien zufolge möglicherweise um bis zu 70 % steigen. Vertikale Anbausysteme könnten eine intensive Produktion von frischem Obst und Gemüse ermöglichen, das für eine gesunde Ernährung unerlässlich ist und schließlich dabei helfen, dieses Ziel der Produktionssteigerung zu erreichen. Allerdings ist Vertikal Farming energieintensiv, was es teuer und schwierig macht, es in großem Maßstab umzusetzen. Jetzt zeigen Wissenschaftler in Frontiers in Science, wie eine dynamische Umweltkontrolle, unterstützt durch Sensoren und Modellierung, es ermöglichen könnte, vertikale Anbausysteme zu erweitern, um die Lebensmittelsicherheit und -versorgung für die Zukunft zu gewährleisten.
Vertikale Anbausysteme, bei denen Pflanzen intensiv in Innenräumen gezüchtet werden, könnten ein Teil der Antwort auf die Frage sein, wie in Zukunft eine stark wachsende Weltbevölkerung mit Lebensmitteln versorgt wird. Um sie jedoch in großem Maßstab einsetzen zu können, müssen zentrale Probleme gelöst werden, 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.
„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 unmöglich ist: in Megastädten, in Wüsten und an Orten, die während großer Teile des Jahres kalt und dunkel sind“, sagt Dr. Elias Kaiser, Erstautor des Artikels in Frontiers in Science. “Die größte Herausforderung sind die mit dem Stromverbrauch verbundenen Kosten.“
Das Problem beleuchten
Viele vertikale Anbausysteme werden unter konstanten Umweltbedingungen betrieben, was viel teuren Strom für den Betrieb erfordert. Die Analyse der Wissenschaftler zeigt, dass diese anspruchsvollen Bedingungen unnötig sind: Mit einer dynamischen Umweltkontrolle, so schlagen sie vor, könnte ein vertikaler Anbau erreicht werden, der kostengünstiger ist und gesündere Pflanzen hervorbringt.
„Wir wurden durch die Rhythmen motiviert, die Pflanzen sowohl auf Tages- als auch auf Entwicklungszeitskalen zeigen, die eine regelmäßige Anpassung ihrer Wachstumsumgebung erfordern, um ihr Wachstum perfekt zu steuern“, sagt Prof. Leo Marcelis von der Universität Wageningen, einer der leitenden Autoren. “Wir skizzieren eine Strategie, die sich das Wissen über die Pflanzenphysiologie, neuartige Erfassungs- und Modellierungstechniken sowie neuartige Sorten zunutze macht, die speziell für vertikale Anbausysteme gezüchtet wurden.“
Da die biologischen Funktionen von Pflanzen stark von Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen, Lichtwellenlängen und dem CO₂-Gehalt in der Atmosphäre beeinflusst werden, kann ein vertikales Anbausystem durch die Manipulation der Umwelt die Pflanzenentwicklung beeinflussen. Die Beleuchtung ist eine entscheidende Variable; alle Pflanzen benötigen sie für die Photosynthese und unterschiedliche 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 vertikaler Anbausysteme genutzt werden, indem mehr Strom verbraucht wird, wenn er günstiger ist“, erklärt Marcelis.
Die Autoren erstellten ein Modell zum Testen intelligenter Beleuchtung, das darauf abzielt, die Fähigkeit der Pflanzen zur Photosynthese im Laufe eines Tages konstant zu halten und gleichzeitig die Stromkosten zu senken. Sie stellten fest, dass ein Optimierungsalgorithmus die Stromkosten um 12 % senken könnte, ohne die Kohlenstofffixierung der Pflanzen zu beeinträchtigen, indem einfach die Lichtintensität variiert wird.
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 blieb auch dann der Fall, wenn die Pflanzen einer unregelmäßig wechselnden Lichtintensität ausgesetzt waren und nicht einem vorhersehbaren, regelmäßigen Muster.
Offene Forschungsfragen
Es müssen den Wissenschaftlern zufolge noch weitere kritische Fragen geklärt werden, bevor die vertikale Landwirtschaft zur Welternährung beitragen kann. „Viele der vorgeschlagenen Lösungen wurden noch nicht in dem größeren Maßstab getestet. Sie wurden vielleicht auf der Ebene einzelner Pflanzen gezeigt, aber noch nicht auf der Ebene ganzer Pflanzenbestände“, warnt Kaiser.
Die dynamische Anpassung der Luftstromraten, der Temperatur und des CO₂-Gehalts an die Bedürfnisse der Pflanzen könnte möglicherweise Möglichkeiten zur Minimierung der Stromkosten bieten. Landwirte werden geeignete Sensoren und Modelle benötigen, um die Umgebung überwachen und anpassen zu können, sowie neue, für die vertikale Landwirtschaft gezüchtete Sorten. Diese Sorten könnten das Potenzial der lokalen Produktion unter geschützten Bedingungen nutzen, um sich auf bessere Nährwerte und sensorische Eigenschaften zu konzentrieren, anstatt auf Robustheit oder Haltbarkeit. Es sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um all diese Variablen zu kalibrieren und das richtige Gleichgewicht zwischen qualitativ hochwertigen und ertragreichen Pflanzen zu finden.
„In einer vertikalen Farm können alle Wachstumsbedingungen genau kontrolliert werden, was für die Optimierung von Ertrag, Qualität und Ressourcennutzungseffizienz sehr wichtig ist“, so Marcelis. “Die technische Möglichkeit, sie konstant zu halten, bedeutet jedoch nicht, dass es die beste Lösung ist, sie konstant zu halten. Sobald sich eine dynamische Umweltkontrolle etabliert hat, können sowohl der Energieverbrauch als auch die Kosten der verbrauchten Energie erheblich gesenkt werden, was die Rentabilität und Nachhaltigkeit vertikaler Farmen erhöht.“
Die Studie wurde von einem Forscherteam der Universität Wageningen geleitet und umfasst Forscher von anderen Universitäten auf der ganzen Welt.
Weitere Informationen: frontiersin.org
