Ernte

Jul 22, 2023

Raj hatte jahrzehntelang eine Vorstellung vom ultimativen Potenzial der Präzisionslandwirtschaft.

Er stellte sich eine drastische Reduzierung des Ressourcenverbrauchs bei gleichzeitiger Steigerung der Produktion vor, dank der Möglichkeit, ein Feld Pixel für Pixel zu bewirtschaften, nicht mit Schätzungen und Folklore und nicht einmal mit unscharfen Farbkarten und vagen Empfehlungen, sondern mit präzisen, aktualisierten und konsistenten Informationen und Algorithmus.

Jetzt, so Khosla, sehe er, dass Technologien auf den Markt kommen, die das Potenzial endlich in Gewinn umsetzen könnten, insbesondere in einem Projekt, an dem er arbeitet: biologisch abbaubare Bodensensoren mit dem Potenzial, Landwirten zuverlässige, kostengünstige und wichtige Daten zu liefern.

„Wenn wir erfolgreich sind“, sagte er, „sind keine Grenzen gesetzt.“ Khosla war Teil eines Forschungsteams, das drei Jahre lang an solchen Geräten gearbeitet hat. Zu den Partnern gehören Gregory Whiting, außerordentlicher Professor für Maschinenbau mit Schwerpunkt Werkstoffe an der University of Colorado, und Ana Claudia Arias, Professorin für Elektrotechnik und Informatik an der University of California Berkeley. Die Idee besteht darin, dass die Sonde so günstig ist, dass Landwirte jede Saison Dutzende – sogar Hunderte – pro Feld installieren können, vielleicht für nur 1 oder 2 US-Dollar pro Sonde.

Dann könnte dieses Sensornetzwerk Bodeninformationen sammeln und übermitteln – in diesem Fall kritische Feuchtigkeits- und Stickstoffwerte.

Und schließlich, was vielleicht am wichtigsten ist, soll es nach der Vegetationsperiode verschwinden und buchstäblich mit dem Boden verschmelzen.

Die Arbeit des Teams ist Teil einer Welle technologischer Innovationen, die die amerikanische Landwirtschaft überschwemmen könnte. Es umfasst eine Vielzahl von Sonden und Sensoren, sogar Roboter, die zur Überwachung von Pflanzen und Böden während der Saison entwickelt wurden, um den Landwirten einen aussagekräftigen Scheinwerfer zu bieten, wo sie noch nie einen hatten: unter dem Blätterdach.

„Es gab Fortschritte in der Technologie, die unsere Möglichkeiten wirklich verändern könnten“, sagte Cherie Kagan, Professorin an der University of Pennsylvania und Leiterin eines anderen akademischen Teams, das ähnliche Tools entwickelt. „Wenn man sich die Informationstechnologie anschaut, sei es auf der Hardwareseite oder auf der Seite der Datenwissenschaft, ist sie völlig verändert.“

EINTAUCHEN

Das Ziel einer biologisch abbaubaren Bodensonde lässt sich leicht zusammenfassen. „Kostengünstig“, sagte Khosla, „und schnell, nahezu in Echtzeit.“ Es besteht Potenzial für enorme Vorteile gegenüber den derzeitigen Praktiken. Luftdrohnen-, Flugzeug- und Satellitenbilder haben derzeit alle ihren Platz auf der Farm, zusammen mit unzähligen anderen Methoden, mit denen Produzenten ihren Boden kartieren, von Ertragsmonitoren bis hin zu einer Handvoll verschiedener Optionen zur Bodenprobenahme. Aber es gibt viele Grenzen, entweder durch das Timing oder, im Fall von Luftbildkameras, durch das Blätterdach. Einige sind teuer, andere arbeitsintensiv.

Khosla träumt davon, schneller und rechtzeitig bessere Daten zu erhalten, um Probleme zu lösen und Ernten auf eine Weise zu retten, die Anwendungen aller Art effizienter macht – und zwar bis unter das Blätterdach und in den Boden.

In Whitings Labor in Boulder, Colorado, hat sich eine Leidenschaft breit gemacht, die der Begeisterung von Khosla entspricht.

Whiting wurde nicht als Bauer geboren; Als er mit dem Projekt begann, kannte er kaum welche. Ein landwirtschaftliches Gerät war nicht unbedingt in seinen Plänen, aber jetzt blüht das Labor, das er mit seinen Forschungskollegen und Studenten teilt, im wahrsten Sinne des Wortes auf. Tomatenreben wachsen aus jedem Quadratfuß leerer Bodenfläche, und reifende Maisstängel fallen aus Lagerschränken, die als Anbauhäuser umgestaltet und ausgestattet wurden.

„Wir sind gerade dabei, uns darauf einzulassen“, sagte er grinsend. Wie genau eine kommerziell erhältliche Sonde aussehen und bestehen würde, ist immer noch ungewiss, und die Visionen haben sich geändert, als die Technologie getestet wurde. Einige frühere Versionen, etwas kleiner als ein Kartenspiel, waren in dickes Wachs eingehüllt, das sich mit vorhersehbarer Geschwindigkeit zersetzen sollte. Die Idee dahinter war, dass die Mikroben des Bodens ihren Weg in die Mitte lecken würden, um die Sonde zu einem katastrophalen Ausfall zu führen und gerade rechtzeitig zur Ernte mit der Zersetzung der Bestandteile zu beginnen.

Im Mittelpunkt der Idee steht eine Art Leiterplatte aus Balsaholz, die mit natürlichem Metall und leitfähiger Tinte bedruckt ist. Die Daten würden von einer Vielzahl potenzieller Sensoren stammen, darunter möglicherweise ein Paar haarfeiner Drähte, die in den Boden reichen, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen und zu messen.

Anschließend könnte es Daten über RFID-Transponder weiterleiten, vielleicht an einen Scanner, der an einem Bewässerungszapfen vorbeifährt, an eine Flugdrohne oder über ein feldweites Wi-Fi-Netzwerk.

Tiefen und Höhen

Nur ist es nicht alles so einfach.

Ihr Projekt, das durch einen Zuschuss von 1,69 Millionen US-Dollar von der Advanced Research Projects Agency-Energy des Energieministeriums finanziert wurde, endete kürzlich nach drei Jahren, und es gibt kein Produkt, das für das Feld eines Landwirts bereit ist.

Die derzeitige Sensorgeneration verschlechtert sich in der Regel innerhalb von Tagen und Wochen statt in Monaten, und ihre Daten, insbesondere für Stickstoff, können sich bereits vorher als inkonsistent erweisen.

„Wir haben einige Fortschritte gemacht und einige Fragen beantwortet“, sagte Khosla. „Ist es möglich? Ja. Ist das Engineering möglich? Ja. Aber es gibt noch viele Herausforderungen, die angegangen werden müssen.“

Es wird weiterhin nach verschiedenen Materialien gesucht, die in verschiedenen Böden stabiler sind und sich gleichzeitig als robust genug erweisen, um eine Vegetationsperiode zu überstehen.

Doch manchmal geht es bei einer zunächst weit hergeholten Idee wie einer biologisch abbaubaren Bodensonde um die Lektionen, die man dabei lernt.

Beispielsweise lernte Whitings Team, Daten nicht nur von Sensoren zu extrahieren, die auf die Zersetzung warten, sondern auch von dieser Zersetzung selbst. Als die Bodenmikroben an der leitfähigen Tinte nagten, veränderte sich der elektrische Widerstand messbar.

Der Sensor kann ein Sensor sein.

„Das war einer der besten Threads, die wir je gezogen haben“, sagte Whiting. „Die mikrobielle Aktivität ist ein Indikator für die Bodengesundheit. Wir können uns verbinden und drahtlos Signale senden, die sich auf die Menge der mikrobiellen Aktivität im Boden beziehen. Ich glaube nicht, dass irgendjemand zuvor eine Möglichkeit hatte, das zu tun.“

Whiting arbeitet mit Teams in Vanderbilt und im Vereinigten Königreich zusammen, um diese Forschung voranzutreiben.

Bei anderen Experimenten wurden kleine Plastiksonden eingesetzt, die in Pflanzenstängel geschoben wurden, um konstante Daten zu liefern, aber „Pflanzen mögen es nicht, wenn ein Klumpen Plastik hineingeschoben wird“, sagte Whiting. Eine andere, vielversprechendere Variante derselben Idee beinhaltet einen Sensor in einer Substanz mit der Konsistenz von Wackelpudding.

Ein Versuch mit der Gruppe an der UC Berkeley konzentriert sich auf die Verfolgung von Lachgasemissionen, Sauerstoffgehalt und pH-Werten in Böden, ein anderer verringert die biologische Abbaubarkeit, fügt aber die Möglichkeit hinzu, auf Stickstoff (N), Kalium (K) und Phosphor zu testen ( P).

„Wir fühlen uns gut mit dem N und dem K, und wir arbeiten am P“, sagte Whiting. „Dieses ganze Sondenprojekt war ziemlich erfolgreich und interessant, und, Mann, es hat uns wirklich viele neue Richtungen eröffnet.“

Dies alles deutet auf ein tieferes Verständnis der Pflanzen und des Bodens, in dem sie wachsen, hin.

EINE NEUE TECHNOLOGIEWELLE

Khosla kann die Vision nicht abschütteln.

„Kostengünstig und schnell“, sagte er wiederholt. „Kostengünstig. Schnell. Diagnostisch. Biologisch abbaubar. Zerstörungsfrei.“

Er sagte, es kommt.

„Ich freue mich immer noch auf den Tag, an dem wir sofort diagnostische, quantitative Messungen der Bodenfeuchtigkeit und des Bodennitrats erhalten können“, sagte Khosla.

Aufgrund von Experimenten und Visionen wie ihm entwickelt sich „Unter dem Blätterdach“ zu einem der nächsten großen Schwerpunktbereiche für Landwirte.

Diese Überzeugung teilen Cherie Kagan von der University of Pennsylvania und ihr Team Iot4Ag, oder Internet of Things for Precision Agriculture, ein Forschungszentrum der National Science Foundation (NSF).

Zu dieser Gruppe gehören Forscher der Purdue University, der University of Florida, der University of California-Merced und der University of Pennsylvania, die alle an einem 26-Millionen-Dollar-Stipendium der NSF arbeiten, das die Studie für fünf Jahre finanziert. Es wird auch von mehreren großen Namen der Agrarbranche unterstützt und gesponsert, von Syngenta über John Deere bis Corteva.

Die Forschungsanstrengungen zielen darauf ab, die von Khosla angestrebte Informationslücke mithilfe von Sensoren sowohl im Boden als auch darüber zu schließen. Die Gruppe möchte winzige Versionen verwenden, die klein genug sind, um als „intelligente Spreu“ bezeichnet zu werden (vielleicht kleiner als ein Fingernagel), und sie laut ihrer Website „in engem Kontakt mit Pflanzen und unter der Bodenoberfläche“ über das Feld verteilen.

In diesem Sommer werden erste Prototypen an landwirtschaftliche Betriebe geschickt, in der Hoffnung, Daten wie Kalium, pH-Wert, Bodenverdichtung und sogar Krankheitszeichen zu sammeln.

Es wird auch untersucht, ob die Antworten über Sonden hinausgehen, die mit Schwärmen autonomer Roboter arbeiten, sowohl in der Luft als auch am Boden.

„Es geht darum, zu verstehen, welche Belastungen den Ertrag, die Gesundheit und die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen beeinflussen“, sagte Kagan. „Wie erhalten wir diese Art von Daten, bei denen es sich um einige der Dinge handelt, die man wissen möchte, die man aber nicht direkt sehen kann? Man sieht die Pflanze, wenn sie angeschlagen ist, oder man erkennt Anzeichen einer Krankheit, aber wie kommen wir zum Ziel.“ Variablen, die uns helfen, Stress bei Nutzpflanzen zu vermeiden und ihn frühzeitig zu erkennen?“

Ein Erfolg könnte ein neues Zeitalter der Präzisionslandwirtschaft einläuten, das den aktuellen Status quo wie ein 8-Bit-Videospiel in einer hochauflösenden Welt aussehen lassen könnte.

„Alle diese Technologien unterscheiden sich stark von dem, was wir vor 30 Jahren Präzisionslandwirtschaft nannten“, sagte Kagan. „Wir nennen es das Internet der Dinge. Mit dieser Idee kann man all diese Signale empfangen und ein sehr tiefes und anderes Verständnis der Nutzpflanze erlangen.“

Joel Reichenberger ist unter Joel.Reichenberger@dtn.com erreichbar

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