Die zunehmende Verknappung von Land- und Wasserressourcen hat die Entwicklung der Präzisionslandwirtschaft vorangetrieben. Diese nutzt Fernerkundungstechnologien, um Luft- und Bodendaten in Echtzeit zu erfassen und so die Ernteerträge zu optimieren. Die maximale Nachhaltigkeit dieser Technologien ist entscheidend für ein nachhaltiges Umweltmanagement und die Kostensenkung.
In einer kürzlich in der Fachzeitschrift „Advanced Sustainable Systems“ veröffentlichten Studie haben Forscher der Universität Osaka eine weitgehend biologisch abbaubare, drahtlose Technologie zur Bodenfeuchtemessung entwickelt. Diese Arbeit stellt einen wichtigen Meilenstein bei der Überwindung verbleibender technischer Herausforderungen in der Präzisionslandwirtschaft dar, wie beispielsweise der sicheren Entsorgung gebrauchter Sensoren.
Angesichts des anhaltenden globalen Bevölkerungswachstums ist die Optimierung landwirtschaftlicher Erträge bei gleichzeitiger Minimierung des Land- und Wasserverbrauchs unerlässlich. Präzisionslandwirtschaft zielt darauf ab, diesen gegenläufigen Anforderungen gerecht zu werden, indem sie mithilfe von Sensornetzwerken Umweltdaten erfasst, um Ressourcen bedarfsgerecht und bedarfsgerecht auf landwirtschaftlichen Flächen einzusetzen.
Drohnen und Satelliten liefern zwar umfangreiche Daten, eignen sich aber nicht optimal zur Bestimmung der Bodenfeuchte. Für eine optimale Datenerfassung sollten Feuchtigkeitsmessgeräte dicht am Boden installiert werden. Ist der Sensor nicht biologisch abbaubar, muss er am Ende seiner Lebensdauer eingesammelt werden, was arbeitsintensiv und unpraktisch sein kann. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, elektronische Funktionalität und biologische Abbaubarkeit in einer einzigen Technologie zu vereinen.
„Unser System umfasst mehrere Sensoren, eine drahtlose Stromversorgung und eine Wärmebildkamera zur Erfassung und Übertragung von Mess- und Standortdaten“, erklärt Takaaki Kasuga, Hauptautor der Studie. „Die Komponenten im Boden sind größtenteils umweltfreundlich und bestehen aus Nanopapier, einem Substrat, einer natürlichen Wachsschutzschicht, einem Kohlenstoffheizelement und einem verzinnten Leiterdraht.“
Die Technologie basiert auf der Tatsache, dass die Effizienz der drahtlosen Energieübertragung zum Sensor von der Temperatur des Sensorheizelements und der Bodenfeuchtigkeit abhängt. Beispielsweise reduziert eine Erhöhung der Bodenfeuchtigkeit von 5 % auf 30 % die Übertragungseffizienz von ca. 46 % auf ca. 3 %, wenn die Position und der Winkel des Sensors auf glattem Boden optimiert werden. Die Wärmebildkamera erfasst anschließend Bilder des Bereichs, um gleichzeitig Daten zur Bodenfeuchtigkeit und zur Sensorposition zu sammeln. Nach der Erntesaison können die Sensoren im Boden vergraben werden und sind dort biologisch abbaubar.
„Wir haben erfolgreich Bereiche mit unzureichender Bodenfeuchtigkeit mithilfe von zwölf Sensoren auf einem 0,4 x 0,6 Meter großen Demonstrationsfeld abgebildet“, sagte Kasuga. „Damit ist unser System in der Lage, die für die Präzisionslandwirtschaft erforderliche hohe Sensordichte zu bewältigen.“
Diese Arbeit birgt das Potenzial, die Präzisionslandwirtschaft in einer zunehmend ressourcenknappen Welt zu optimieren. Die Maximierung der Effektivität der von den Forschern entwickelten Technologie unter nicht idealen Bedingungen, wie beispielsweise ungünstiger Sensorplatzierung und Hangneigung auf grobkörnigen Böden sowie möglicherweise weiterer Indikatoren der Bodenbeschaffenheit jenseits des Bodenfeuchtigkeitsgehalts, könnte zu einer breiten Anwendung der Technologie in der globalen Landwirtschaft führen.
Veröffentlichungsdatum: 30. April 2024