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Landwirtschaft

„Pflanzlicher Durst“ aus dem All erfasst

Bedarfsgerechte Bewässerung hat eine große landwirtschaftliche und ökologische Bedeutung. (Bild: ollo/iStock)

Wenn Pflanzen unter Wassermangel leiden, erwärmen sich ihre Blätter. Dieses frühe Anzeichen für Trockenstress kann nun eine neue Technologie anhand von Satellitendaten aufzeigen, berichten Fraunhofer-Forscher. Das Verfahren soll zur Optimierung der Bewässerung in der Landwirtschaft eingesetzt werden. So lassen sich Erträge steigern und Ressourcen schonen, sagen die Wissenschaftler. Ein Sensorsystem für den Einsatz des Verfahrens soll Anfang 2022 an Bord der Internationalen Raumstation ISS installiert werden.

Die Menschheit steht vor einem Dilemma: Der weltweite Bedarf an Nahrungsmitteln steigt, währen die Erträge durch die Folgen des Klimawandels und andere Umweltprobleme in einigen Regionen sinken. Diesem Trend mit einem weiteren Ausbau der Ackerflächen zu begegnen, schadet bekanntlich der Umwelt erneut. Eine Devise lautet deshalb: Die Erträge auf den bestehenden landwirtschaftlichen Flächen sollten möglichst schonend verbessert werden. Ein Ansatz dazu ist die Optimierung der Wasserversorgung. Denn wenn Pflanzen unter Wassermangel leiden, stecken sie weniger Energie in die Ernteprodukte und die Erträge fallen erheblich geringer aus. Deshalb einfach im Übermaß zu bewässern, ist allerdings keine gute Lösung, denn dadurch wird die vielerorts kostbare Ressource Wasser verschwendet. Den Wasserbedarf von Kulturpflanzen möglichst genau zu kennen, ist deshalb von zentraler Bedeutung.

Den Versorgungszustand auf riesigen Ackerflächen effektiv zu erfassen, ist bisher allerdings schwierig. Zwar nutzt man schon seit den 1970er-Jahren Satellitendaten für die weiträumige Untersuchung von Pflanzenbeständen, doch bisher eignet sich dies nicht für die Früherkennung von Wassermangel. Denn es kommen Verfahren zum Einsatz, die den Abbau des grünen Farbstoffs Chlorophyll erkennen, wenn Pflanzen zu wenig gewässert werden. „Dann ist es aber bereits zu spät“, sagt Max Gulde vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik in Freiburg (EMI). „Was wir brauchen, ist eine Technologie, die innerhalb weniger Stunden verrät, ob Pflanzen ausreichend mit Wasser versorgt sind.“ Ein solches Verfahren haben er und seine Kollegen nun entwickelt.

Blatttemperaturen zeigen Wasserbedarf an

Die Grundlage bildet dabei eine weiterentwickelte Wärmebildkamera für Satelliten, die auf die landwirtschaftlichen Flächen blickt. Die gewonnenen Daten werden dann durch spezielle Algorithmen ausgewertet, sodass die Temperaturen auf den Blattoberflächen der Pflanzen bestimmt werden können. Wie die Forscher erklären, lassen sich aus diesen Werten Rückschlüsse auf die Wasserversorgung ziehen. Denn bei Wassermangel steigt die Temperatur durch eine geringere Verdunstungskühlung, da die Pflanzen die Wasserabgabe über die Blätter einschränken. „Innerhalb von zwei Stunden kann sich die Temperatur um zwei bis drei Grad Celsius verändern“, sagt Max Gulde.

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Anbauflächen im Blick einer Wärmebildkamera vom All aus. In der Auswertung steht Rot für hohe Temperaturen und drohende Wasserknappheit. (Bild: ConstellR)

Durch ihre Berechnungsverfahren gelang es den Forschern, störende Wärme, die von der Atmosphäre, der Erdoberfläche oder vom Satelliten selbst abgestrahlt wird, aus den Daten herauszurechnen. „Unser Verfahren misst nun auf ein Zehntelgrad genau und löst die Temperatur-Differenzen sehr fein auf“, so Gulde. Tests des Systems durch die Europäische Weltraumorganisation ESA bestätigten schließlich die Leistungsfähigkeit des Verfahrens: „Die ESA teilte uns mit, dass das ein echter Durchbruch sei. Das Problem der Temperaturmessung hatte vor uns niemand auf so kompakte Weise lösen können“, so Gulde.

Potenzial für die Landwirtschaft

Offenbar lassen sich die Informationen auch recht unproblematisch für den praktischen Einsatz nutzen, berichtet die Fraunhofer-Gesellschaft: Die Daten können von den Satelliten auf Bodenstationen heruntergeladen werden, in Rechenzentren prozessiert und anschließend für Anwender aufbereitet werden. Landwirtschaftlichen Nutzern könnten sie dann in der Form einer App zur Verfügung stehen. Der entscheidende Vorteil des Konzepts ist dabei: Die Informationen über die Wasserversorgung von Pflanzen liegen sehr schnell vor. Landwirte können damit praktisch in Echtzeit ihre Bewässerung anpassen und gezielt jene Äcker oder Pflanzen wässern, die es nötig haben. Die punktgenaue und bedarfsgerechte Bewässerung kann dann auch helfen, eine Verschwendung der oft kostbaren Ressource Wasser zu verhindern.

Schon Anfang 2022 soll die neue Technologie nun im All an Bord der Internationalen Raumstation in Betrieb gehen, berichtet die Fraunhofer-Gesellschaft. Für die weitere Entwicklung und Vermarktung der Technologie haben Gulde und sein Kollege Marius Bierdel vom EMI die Spin-off Firma ConstellR gegründet. „Ich freue mich sehr, dass die am Institut entwickelten Technologien dazu beitragen werden, weltweit die Bewässerung von Feldern und Äckern zu optimieren. Sie verbessern die Ernährungssicherheit für die Menschen und stellen deshalb gerade in Zeiten des Klimawandels einen bedeutenden Fortschritt dar“, sagt Frank Schäfer von der Abteilung Systemlösungen des Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik.

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft

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