Autoren: Annika Ballin | Maria Kaminski

Vertical Farming im Keramikinstitut

Der #diensttalk mit Nico Domurath: Beim #diensttalk geben Mitarbeitende einen kleinen Einblick hinter die Kulissen des Fraunhofer IKTS und verraten, was sie bei ihrer Forschung antreibt.

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Nico Domurath spricht über Vertical Farming und wie wir mit keramischen Technologien den Pflanzenanbau – speziell in kontrollierten Anbausystemen wie Gewächshäusern – nachhaltiger und ressourceneffizienter gestalten können.

Rosa Licht erstrahlt in der Technikumshalle des Fraunhofer IKTS in Dresden. Da wo sonst Anlagen zur Wasserfiltration, Brennstoffzellen oder 3D-Druckmaschinen stehen, wachsen seit kurzem kleine Pflanzen auf mehreren Etagen. »Mit unserem Vertical Farming-Teststand erproben wir, wie wir mit keramischen Technologien den Pflanzenanbau – speziell in kontrollierten Anbausystemen wie Gewächshäusern – nachhaltiger und ressourceneffizienter gestalten können.«, erklärt Nico Domurath, Pflanzenbau-Experte am Fraunhofer IKTS. »Wir wollen die drei großen Themen Ernährung, Wasser und Energie ganzheitlich denken und durch die intelligente Kopplung von Prozessen Synergien heben, Kreisläufe schließen und Reststoffe optimal nutzen.«, so Domurath weiter. Warum das wichtig ist?

Heute leben 7,9 Mrd. Menschen auf der Erde, 2050 werden es 9,7 Mrd. sein

Der Druck auf die Landwirtschaft steigt: Nach Prognosen der Vereinten Nationen müssen 2050 etwa 2 Mrd. Menschen mehr als heute mit gesunder Nahrung (und nachwachsenden Rohstoffen) versorgt werden. Gleichzeitig geht durch Bodenerosion und Versiegelung immer mehr fruchtbarer Boden verloren. Verschärft wird die Situation durch den Klimawandel: Hitze, Dürre und Starkregenereignisse verringern die landwirtschaftlichen Erträge weltweit. Die Landwirtschaft ist dabei heute einer der größten Wasserverbraucher. Um den Klimawandel zu begrenzen, braucht es zudem umfassende Konzepte für den klimaneutralen Umbau der Wirtschaft und Energieversorgung.

Ein weiteres Problem: Immer mehr Menschen ziehen in die Städte und müssen dort – fern der Agrarflächen – mit Lebensmitteln versorgt werden. Lange Transportwege vom Feld zum Verbraucher haben ihren Preis. Sie verschlechtern zudem die Umweltbilanz der Produkte und sind obendrein auch ernährungsphysiologisch ungünstig. Frische Blattgemüse, Obst und Kräuter verlieren bereits innerhalb eines Transporttages einen Großteil ihrer wertvollen Vitamine und Mineralstoffe. Damit die frischen Früchte und Gemüse die lange Reise überstehen, müssen sie unreif geerntet und mit viel Energieaufwand gekühlt bzw. künstlich nachgereift werden. In einigen Regionen sind gute Frischeprodukte dadurch für ärmere Bevölkerungsschichten kaum mehr erschwinglich. Mangelernährung sind die Folge – selbst in Industrienationen (Stichwort: Hidden Hunger).

 

Controlled Environment Agriculture

Um die Welt zuverlässig mit sicheren und qualitativ hochwertigen Lebensmitteln versorgen zu können, wird weltweit an neuartigen Anbauverfahren geforscht. Neben der Züchtung angepasster Sorten, geht es dabei vor allem um Technologien, die Wasser und Energie einsparen helfen sowie biogene Reststoffe als Ressourcen nutzen. Beim technologiebasierten Ansatz der »Controlled Environment Agriculture (CEA)« wachsen die Pflanzen in geschlossenen Anbau­strukturen, wie Gewächshäusern oder Gebäuden unter kontrollierten Wachstumsbedingungen.

Vertical Farming – Chancen und Grenzen

Eine besonders platzsparende Variante bietet das Vertical Farming. Hier werden die Pflanzen in mehreren Etagen übereinander angebaut. Die Möglichkeiten reichen vom einfachen Folientunnel bis zum geschlossenen, erdelosen Indoor Farming mit künstlicher Belichtung. In so einem geschlossenen System lassen sich im Vergleich zum Feldanbau bis zu 95 % des Wasserverbrauchs einsparen. Auch der Einsatz von Pestiziden kann deutlich reduziert werden. Der Ansatz verspricht ganzjährig hohe Erträge auf kleiner Fläche, ist modularisierbar und unabhängig von Klima und Bodenqualität nutzbar.

Allein von Gewächshauskost wird die Welt aber auch in Zukunft nicht satt werden, da der Anbau der wichtigsten Grundnahrungsmittel – Getreide, Reis, Mais, Kartoffeln – auf den Feldanbau in großem Maßstab angewiesen ist. Schnell wachsende, kompakte Kulturen, wie Salat, Erdbeeren, Kräuter, Pilze oder auch Arzneipflanzen, könnten zukünftig jedoch in vertikalen Farmen genau dort angebaut werden, wo sie nachgefragt werden – in der Stadt oder sogar direkt im Supermarkt. Frischer geht es nicht! Auch sehr trockene Regionen, in denen Landwirtschaft bereits heute schwierig ist, könnten von geschlossenen Anbausystemen profitieren. Bisher ist die vertikale Landwirtschaft nur in wenigen Nischen wirtschaftlich zu betreiben. Zum einen ist der Energiebedarf für die Belichtung sehr hoch. Zum anderen bedarf es hochkomplexer Monitoring- und Steuerungssysteme, um die Pflanzen jederzeit optimal zu versorgen. Ein weiteres Problem: Qualifizierte Fachkräfte, die sich gleichermaßen im Pflanzenbau wie im Ingenieur- und IT-Bereich auskennen, sind rar.

Zusammen mit Industriepartnern qualifiziert das Fraunhofer IKTS seine Kreislauftechnologien für den Praxiseinsatz.
© Fraunhofer IKTS
Zusammen mit Industriepartnern qualifiziert das Fraunhofer IKTS seine Kreislauftechnologien für den Praxiseinsatz.
Qualitativ hochwertige Lebensmittel und Arzneipflanzen dort zu erzeugen, wo sie nachgefragt werden, ist ein Ziel des Vertical Farmings.
© Fraunhofer IKTS
Qualitativ hochwertige Lebensmittel und Arzneipflanzen dort zu erzeugen, wo sie nachgefragt werden, ist ein Ziel des Vertical Farmings.
So müssen Obst und Gemüse aufgrund langer Transportwege nicht mehr unreif geerntet und nachbehandelt werden.
© Fraunhofer IKTS
So müssen Obst und Gemüse aufgrund langer Transportwege nicht mehr unreif geerntet und nachbehandelt werden.

Keramiktechnologien für die Landwirtschaft

Nico Domurath ist so ein Experte. Der studierte Gartenbauingenieur hat in der Agrarwirtschaft gearbeitet und an Hochschulen gelehrt. Seit eineinhalb Jahren gehört er zum IKTS-Team. »Man kann heute Energie-, Wasser- und Agrartechnologien nicht losgelöst voneinander betrachten«, ist sich der Agrarexperte sicher. »Wir arbeiten daher an domainübergreifenden Lösungen. Das Fraunhofer IKTS hat der Landwirtschaft viel zu bieten. Dies wollen wir mit unserem Vertical Farming-Teststand im Kleinen und bald auch in größerem Maßstab zusammen mit Partnern demonstrieren.«, so Domurath. Und so könnte ein Gewächshaus mit IKTS-Know-how aussehen:


Monitoring und Steuerung

Im Bereich Optokeramik forscht das Fraunhofer IKTS an stromsparenden, langlebigen LEDs, die genau die Lichtfrequenzen aussenden, die Pflanzen für die Photosynthese benötigen. Durch Variation der Lichtintensität und -farbe über den Tag bzw. über die Vegetationsphasen kann das Pflanzenwachstum gezielt angeregt werden. Robuste LTCC-Sensoren messen regelmäßig Temperatur, Feuchte und den CO2-Gehalt der Luft. Miniaturisierte Dickschicht-Sensoren auf Basis keramischer Pasten werden in der Wasseranalytik zum Schwermetallmonitoring und zur Bestimmung des pH-Werts genutzt. Mit der Laser-Speckle-Photometrie lässt sich in Züchtungsprozessen das Wachstum von Zellkulturen im Bioreaktor in-line überwachen. Optische Verfahren monitoren die Nährstoffversorgung in den Blättern mittels Mustererkennung. Diese Daten werden von einer KI-basierten Software bewertet, die Luft-, Wasser- und Nährstoffzirkulation automatisch steuert.

Forschende des Fraunhofer IKTS nutzen verschiedene Technologien wie beispielsweise Photokatalyse, um Prozess- und Abwasser für die weitere Nutzung zu konditionieren.
© Fraunhofer IKTS | Jürgen Lösel
Forschende des Fraunhofer IKTS nutzen verschiedene Technologien wie beispielsweise Photokatalyse, um Prozess- und Abwasser für die weitere Nutzung zu konditionieren.
Keramische Mehrschichtsensoren besitzen hohe Integrationsraten, sind robust und sicher in der Prozessführung. Im Bild: Miniaturisierter All-solid-State-pH-Sensor.
© Fraunhofer IKTS
Keramische Mehrschichtsensoren besitzen hohe Integrationsraten, sind robust und sicher in der Prozessführung. Im Bild: Miniaturisierter All-solid-State-pH-Sensor.
Mit der Laser-Speckle-Photometrie kann das Zellwachstum im Züchtungsprozess direkt im Bioreaktor überwacht werden – ohne Probenentnahme.
© Fraunhofer IKTS
Mit der Laser-Speckle-Photometrie kann das Zellwachstum im Züchtungsprozess direkt im Bioreaktor überwacht werden – ohne Probenentnahme.

Wasser- und Rohstoffkreislauf

Zur Wasserbereitstellung können Bergbauwässer effizient aufbereitet oder Meerwasser entsalzt werden. Ungenutztes Wasser und überschüssige Nährlösungen werden dezentral und energieeffizient mit keramischen Membranverfahren gefiltert und hygienisiert und so im Kreislauf geführt. Dies spart Wasser und Nährstoffe, verhindert aber auch wirksam Stoffeinträge in die Umwelt. Hierfür stehen am IKTS verschiedene Filtrations- und Aufbereitungstechnologien zur Verfügung. Auch Pestizidrückstände und andere Spurenstoffe im Nanometerbereich lassen sich vollständig aus Prozess- und Abwässern entfernen.

Überschüssige Biomasse wird zu Biogas abgebaut. Das IKTS hat hierfür Technologien zur effizienten Biogasgewinnung aus biogenen Reststoffen und zur Biogasaufbereitung entwickelt. Aus den Gärresten können essenzielle Nährstoffe, wie Phosphor und Stickstoff, zurückgewonnen und zu hochwertigen Düngerprodukten weiterverarbeitet werden (abonocare®-Projekte). Ebenso wird an Technologien zur CO2-neutralen Düngerproduktion aus Industriewässern (RODOSAN®-Verfahren) bzw. aus Luft unter Nutzung von grünem Wasserstoff (Ammoniaksynthese) geforscht. Selbst der faserhaltige Gärrest kann verfahrenstechnisch aufbereitet und werthaltig genutzt werden. Hieraus lassen sich z. B. kompostierbare Pflanztöpfe und Mulchfolien herstellen. Das Ziel ist eine optimale kaskadische Rohstoffnutzung.

Aus faserhaltigen Gärresten kann Gärproduktpapier für die Pflanzenanzucht hergestellt werden.
© Fraunhofer IKTS
Aus faserhaltigen Gärresten kann Gärproduktpapier für die Pflanzenanzucht hergestellt werden.
Untersuchung zur Pflanzenverfügbarkeit von Stickstoff- und Phosphor-Rezyklaten am Vertical Farming-Teststand.
© Fraunhofer IKTS
Untersuchung zur Pflanzenverfügbarkeit von Stickstoff- und Phosphor-Rezyklaten am Vertical Farming-Teststand.
Um die Energiebereitstellung und -nutzung in Produktionssystemen zu optimieren, werden die realen Stoff- und Energieströme analysiert und der Effekt neuer Technologien simuliert (Sankey-Diagramm).
© Fraunhofer IKTS
Um die Energiebereitstellung und -nutzung in Produktionssystemen zu optimieren, werden die realen Stoff- und Energieströme analysiert und der Effekt neuer Technologien simuliert (Sankey-Diagramm).

Strom und Wärme

Für die flexible Strom- und Wärmeversorgung kann Biogas in Brennstoffzellen oder in kombinierten KWK-Anlagen verstromt werden. Entsteht temporär mehr Energie als benötigt wird, kann diese in umweltfreundlichen stationären Natrium-Nickelchlorid-Batterien (Na/NiCl2) oder in Form chemischer Energieträger gespeichert werden. Zusätzlich benötigte Energie stammt idealerweise aus erneuerbaren Quellen.


Gewächshaus als CO2-Senke

Da die Pflanzen das CO2 aus der Gewächshausluft verstoffwechseln, muss der Luft kontinuierlich neues CO2 zugesetzt werden. Dieses CO2 kann zum Beispiel mittels Gastrennmembranen aus Biogas abgetrennt werden. Ebenso ließe sich aber auch unvermeidbares CO2 aus Industrieprozessen oder gespeichertes CO2 nutzen. Das Gewächshaus würde dann zur CO2-Senke.

Die Vision: IKTS als Nachhaltigkeitsinstitut

Bislang sind all diese Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IKTS in der Agrarwirtschaft noch ein Geheimtipp. Dies soll sich bald ändern. Dafür ist Nico Domurath in ständigem Austausch mit Landwirten, Züchtern, Zulieferern und Verarbeitern, Ingenieuren, Anlagenbauern und IT. Er will zwischen Praxis und Forschung vermitteln und die Potenziale keramischer Technologien für die Landwirtschaft aufzeigen. »Mein Job ist es, die technischen mit den biologischen Möglichkeiten bestmöglich zu verbinden«, erklärt der passionierte Netzwerker.

Seine Vision für die Zukunft? Das Fraunhofer IKTS bietet mit seinen Technologien überzeugende Lösungen für die UN-Nachhaltigkeitsziele und kann diese zusammen mit Partnern aus Industrie und Landwirtschaft bis in die Praxis überführen. »Als Institut für angewandte Forschung entwickeln wir Technologielösungen und erproben diese bis in den Technikumsmaßstab. Ab da braucht es noch weitere drei bis fünf Jahre für die Hochskalierung durch unsere Industriepartner, bevor eine Technologie marktreif ist und kommerzialisiert werden kann. Ich würde mir wünschen, wir könnten mit unserer Forschung einen schlagkräftigen Beitrag zu einer ressourcenschonenden und klimaneutralen Zukunft leisten.«