Die zunehmende Knappheit der Land- und Wasserressourcen hat die Entwicklung der Präzisionslandwirtschaft vorangetrieben. Mithilfe von Fernerkundungstechnologie werden Luft- und Bodendaten in Echtzeit überwacht, um die Ernteerträge zu optimieren. Die Maximierung der Nachhaltigkeit solcher 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 drahtlose Bodenfeuchtigkeitssensortechnologie entwickelt, die weitgehend biologisch abbaubar ist. Diese Arbeit ist ein wichtiger Meilenstein bei der Beseitigung verbleibender technischer Engpässe in der Präzisionslandwirtschaft, wie beispielsweise der sicheren Entsorgung gebrauchter Sensorausrüstung.
Angesichts des anhaltenden Bevölkerungswachstums ist die Optimierung landwirtschaftlicher Erträge und die Minimierung des Land- und Wasserverbrauchs unerlässlich. Die Präzisionslandwirtschaft zielt darauf ab, diese widersprüchlichen Anforderungen zu lösen. Sie nutzt Sensornetzwerke zur Erfassung von Umweltinformationen, um Ressourcen bedarfsgerecht auf Ackerland zu verteilen.
Drohnen und Satelliten können zwar eine Fülle von Informationen sammeln, eignen sich aber nicht ideal zur Bestimmung von Bodenfeuchtigkeit und -feuchtigkeit. Für eine optimale Datenerfassung sollten Feuchtigkeitsmessgeräte in hoher Dichte 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 aktuellen Arbeit ist es, elektronische Funktionalität und biologische Abbaubarkeit in einer Technologie zu vereinen.
„Unser System umfasst mehrere Sensoren, eine drahtlose Stromversorgung und eine Wärmebildkamera zur Erfassung und Übertragung von Sensor- und Standortdaten“, erklärt Takaaki Kasuga, Hauptautor der Studie. „Die Komponenten im Boden sind größtenteils umweltfreundlich und bestehen aus Nanopapier, Substrat, Schutzbeschichtung aus natürlichem Wachs, Kohlenstoffheizung und Zinnleiterdraht.“
Die Technologie basiert auf der Tatsache, dass die Effizienz der drahtlosen Energieübertragung zum Sensor von der Temperatur der Sensorheizung und der Luftfeuchtigkeit des umgebenden Bodens abhängt. Beispielsweise reduziert sich bei der Optimierung von Sensorposition und -winkel auf glattem Boden die Übertragungseffizienz bei einer Erhöhung der Bodenfeuchtigkeit von 5 % auf 30 % von ca. 46 % auf ca. 3 %. Die Wärmebildkamera erfasst anschließend Bilder des Bereichs, um gleichzeitig Daten zur Bodenfeuchtigkeit und zum Sensorstandort zu erfassen. Nach Ende der Erntesaison können die Sensoren zum biologischen Abbau im Boden vergraben werden.
„Wir haben mit zwölf Sensoren auf einem 0,4 x 0,6 Meter großen Demonstrationsfeld erfolgreich Bereiche mit unzureichender Bodenfeuchtigkeit abgebildet“, sagte Kasuga. „Dadurch kann unser System die hohe Sensordichte bewältigen, die für die Präzisionslandwirtschaft erforderlich ist.“
Diese Arbeit hat das Potenzial, die Präzisionslandwirtschaft in einer zunehmend ressourcenbeschränkten Welt zu optimieren. Die Maximierung der Effektivität der Technologie der Forscher unter nicht idealen Bedingungen, wie beispielsweise ungünstiger Sensorplatzierung und Hangneigung auf groben Böden und möglicherweise auch anderen Indikatoren der Bodenumgebung über den Bodenfeuchtigkeitsgehalt hinaus, könnte zu einer breiten Nutzung der Technologie in der globalen Landwirtschaft führen.
Veröffentlichungszeit: 30. April 2024