Bodensensoren helfen Landwirten, die Wachstumsbedingungen wie Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, pH-Wert des Bodens, Temperatur und Topografie zu beurteilen.

Die Tomate (Solanum lycopersicum L.) zählt zu den wertvollsten Kulturpflanzen auf dem Weltmarkt und wird hauptsächlich bewässert angebaut. Der Tomatenanbau wird häufig durch ungünstige Bedingungen wie Klima, Bodenbeschaffenheit und Wasserressourcen beeinträchtigt. Um Landwirten die Beurteilung von Wachstumsbedingungen wie Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, pH-Wert, Temperatur und Topografie des Bodens zu erleichtern, wurden weltweit Sensortechnologien entwickelt und eingesetzt.
Faktoren, die mit der geringen Produktivität von Tomaten zusammenhängen. Die Nachfrage nach Tomaten ist sowohl auf den Märkten für Frischwaren als auch in der industriellen Verarbeitung hoch. In vielen Agrarsektoren, wie beispielsweise in Indonesien, wo traditionelle Anbaumethoden weit verbreitet sind, werden niedrige Tomatenerträge beobachtet. Die Einführung von Technologien wie IoT-basierten Anwendungen und Sensoren hat die Erträge verschiedener Nutzpflanzen, darunter auch Tomaten, deutlich gesteigert.
Der Mangel an heterogenen und modernen Sensoren aufgrund unzureichender Informationen führt ebenfalls zu geringen Erträgen in der Landwirtschaft. Ein umsichtiges Wassermanagement spielt eine wichtige Rolle bei der Vermeidung von Ernteausfällen, insbesondere in Tomatenplantagen.
Die Bodenfeuchtigkeit ist ein weiterer Faktor, der den Tomatenertrag bestimmt, da sie für den Transport von Nährstoffen und anderen Verbindungen vom Boden zur Pflanze unerlässlich ist. Auch die Temperatur der Pflanzen ist wichtig, da sie die Reife von Blättern und Früchten beeinflusst.
Der optimale Feuchtigkeitsgehalt des Bodens für Tomatenpflanzen liegt zwischen 60 % und 80 %. Die ideale Temperatur für maximalen Tomatenertrag liegt zwischen 24 und 28 Grad Celsius. Oberhalb dieses Temperaturbereichs sind Pflanzenwachstum sowie Blüten- und Fruchtentwicklung beeinträchtigt. Bei starken Schwankungen der Bodenbedingungen und der Temperatur verläuft das Pflanzenwachstum langsam und gehemmt, und die Tomaten reifen ungleichmäßig.
Sensoren im Tomatenanbau. Für die präzise Bewirtschaftung von Wasserressourcen wurden verschiedene Technologien entwickelt, die hauptsächlich auf Nah- und Fernsensorik basieren. Um den Wassergehalt von Pflanzen zu bestimmen, werden Sensoren eingesetzt, die den physiologischen Zustand der Pflanzen und ihrer Umgebung erfassen. Beispielsweise können Sensoren, die auf Terahertzstrahlung basieren und gleichzeitig die Luftfeuchtigkeit messen, den Druck auf die Blätter bestimmen.
Sensoren zur Bestimmung des Wassergehalts in Pflanzen basieren auf verschiedenen Instrumenten und Technologien, darunter elektrische Impedanzspektroskopie, Nahinfrarotspektroskopie (NIR), Ultraschalltechnologie und Blattklemmtechnik. Bodenfeuchtesensoren und Leitfähigkeitssensoren dienen der Bestimmung von Bodenstruktur, Salzgehalt und Leitfähigkeit.
Sensoren für Bodenfeuchtigkeit und -temperatur sowie ein automatisches Bewässerungssystem sind unerlässlich. Für einen optimalen Ertrag benötigen Tomaten ein effizientes Bewässerungssystem. Zunehmende Wasserknappheit bedroht die landwirtschaftliche Produktion und die Ernährungssicherheit. Der Einsatz effizienter Sensoren gewährleistet eine optimale Nutzung der Wasserressourcen und maximiert die Ernteerträge.
Bodenfeuchtesensoren messen die Bodenfeuchte. Neuere Bodenfeuchtesensoren bestehen aus zwei leitfähigen Platten. Sobald diese Platten mit einem leitfähigen Medium (z. B. Wasser) in Berührung kommen, wandern Elektronen von der Anode zur Kathode. Diese Elektronenbewegung erzeugt einen elektrischen Strom, der mit einem Voltmeter gemessen werden kann. Der Sensor erkennt somit das Vorhandensein von Wasser im Boden.
In manchen Fällen werden Bodensensoren mit Thermistoren kombiniert, die sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit messen können. Die Daten dieser Sensoren werden verarbeitet und erzeugen ein bidirektionales Ausgangssignal, das an das automatische Spülsystem gesendet wird. Sobald die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte bestimmte Schwellenwerte erreichen, schaltet sich die Wasserpumpe automatisch ein oder aus.
Ein Bioristor ist ein bioelektronischer Sensor. Bioelektronik wird zur Steuerung physiologischer Prozesse und morphologischer Merkmale von Pflanzen eingesetzt. Kürzlich wurde ein In-vivo-Sensor auf Basis organischer elektrochemischer Transistoren (OECTs), sogenannter Bioresistoren, entwickelt. Dieser Sensor wurde im Tomatenanbau verwendet, um Veränderungen in der Zusammensetzung des Pflanzensafts im Xylem und Phloem wachsender Tomatenpflanzen zu erfassen. Er arbeitet in Echtzeit im Pflanzengewebe, ohne die Pflanzenfunktionen zu beeinträchtigen.
Da der Bioresistor direkt in Pflanzenstängel implantiert werden kann, ermöglicht er die In-vivo-Beobachtung physiologischer Mechanismen, die mit der Ionenbewegung in Pflanzen unter Stressbedingungen wie Trockenheit, Salinität, unzureichendem Dampfdruck und hoher relativer Luftfeuchtigkeit zusammenhängen. Der Bioresistor wird auch zur Pathogenerkennung und Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Darüber hinaus dient der Sensor der Überwachung des Wasserhaushalts von Pflanzen.