Quantencomputer, Raumfahrttourismus oder Wasserstofftechnologie – der aktuellste Techno-Hype dreht sich um ständig neue Themen. Seltsamerweise wird dabei die allerwichtigste Branche häufig ignoriert: die Landwirtschaft. Obwohl sie bis heute zuverlässig eine exponentiell wachsende Menschheit ernährt hat. Die Landwirtschaftliche Revolution, die im 18. Jahrhundert begann, hat die Erträge enorm ansteigen lassen. Sie beruht auf der zunehmenden Verwendung von Hochertragssorten, Mineraldünger und chemischen Pestiziden, auf Mechanisierung und großflächiger künstlicher Bewässerung. Diese Eingriffe in die Ökologie blieben jedoch nicht ohne unerwünschte Nebenwirkungen. Alle fundierten Bevölkerungsprognosen sagen voraus, dass die Menschheit in diesem Jahrhundert auf neun bis zehn Milliarden Köpfe anwachsen wird. Die Erde bietet das Potenzial, auch diese große Zahl von Menschen mit ausreichend Nahrung zu versorgen. Die Landwirtschaft steht hier allerdings vor einer riesigen Herausforderung. Ackerbau und Viehzucht müssen mehr produzieren, ohne die lebenserhaltenden Ressourcen zu gefährden. Fruchtbarer Boden, sauberes Grundwasser und eine intakte Natur sind unsere kostbarsten „Rohstoffe“. Sie müssen unbedingt geschont werden.
Von der Fläche zur Pflanze
Bisher werden viele wichtige Arbeitsschritte im Ackerbau wie Säen, Düngen und Pflanzenschutzmaßnahmen auf die Fläche bezogen. Wenn man Saatgut oder Pestizide ausbringt, berechnet man die Menge pro Ar oder Hektar; die Maschinen verteilen das Material mit dem entsprechenden Durchsatz. Statt die Pflanze zu stärken, gelangt so zum Beispiel ein Teil des Stickstoffdüngers ins Grundwasser, wo es eindeutig nicht hingehört. Tätigkeiten wie der Rückschnitt von Obstbäumen oder die Ernte empfindlicher Frucht- und Gemüsesorten erfordern aufwendige Handarbeit, während immer mehr Betriebe unter Personalmangel leiden.
Smart Farming nutzt moderne Technologien, um zugleich die Effizienz der Landwirtschaft zu steigern, schonender mit allen Ressourcen umzugehen, Menschen von monotoner Arbeit zu entlasten und höhere Erträge zu produzieren. In diesem Zusammenhang ist auch von Precision Farming, Digital Farming oder e-Farming die Rede. Mit rechnergestützten und vernetzten Abläufen plus maschinellem Lernen und maßgeschneiderten Roboterfunktionen kann man statt der Fläche die einzelne Pflanze in den Blick nehmen.
Je direkter die Maßnahmen auf sie gerichtet sind, desto sparsamer und effizienter können diese eingesetzt werden. So ließe sich etwa die Verwendung von Herbiziden deutlich reduzieren, wenn sie gezielter zur einzelnen Pflanze gelangen. Früchte und Gemüse könnten von Robotern in kontinuierlichen Durchgängen automatisch geerntet werden, immer zum optimalen Reifegrad.
Leichte, autonom arbeitende Feldroboter eröffnen auch eine Chance, die Böden zu schonen. Große Landmaschinen sind heute bis zu zehn Tonnen schwer. Bei einem solchen Gewicht führt jede Fahrt zu dramatischer Bodenverdichtung. Die betroffene Erdschicht kann kaum noch Wasser und Luft aufnehmen, das Bodenleben wird stark beeinträchtigt, Wachstum und Gesundheit der Nutzpflanzen im Bereich der Fahrwege werden ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen. Mit Smart Farming kann man zu gesünderen Böden und mehr Biodiversität beitragen.
Automatisierung im Acker- und Gartenbau
Viele Anwendungen existieren vorerst nur als Studien oder Prototypen. Es gibt Smart Farming aber auch schon in bewährter Praxis, so zum Beispiel bei der gezielten Einzelkornaussaat. Sie wurde ursprünglich für die Forschung und Saatgutzüchtung entwickelt. Die entsprechenden Maschinen können einzelne Saatkörner in genau definierten Abständen ausbringen. Jede Pflanze bekommt genug Platz zum Wachsen, die Fläche wird optimal ausgenutzt. Zugleich wird das kostbare Saatgut mit höchster Sparsamkeit verwendet.
Die modernsten Maschinen verwenden pro Reihe ein Vereinzelungsmodul mit Elektroantrieb. Ein Motor treibt eine mit Schlitzen oder Zähnen versehene Scheibe an, welche die einzelnen Körner zum Auslass befördert. Mit einer intelligenten Steuerung kann der optimale Abstand für jede Art Saatgut genau eingestellt werden; bei Kurvenfahrt lassen sich die unterschiedlichen Radien der einzelnen Reihen kompensieren. Die Zufuhr des Saatguts zu den Scheiben wird mit ebenfalls motorisierten Verschlüssen geregelt.
Beim Gemüse- und Blumenanbau in Gewächshäusern werden viele Pflanzen zunächst in kleinen Anzuchttöpfen vorgezogen und später in größere Töpfe oder in Beete umgepflanzt. In modernen Gartenbaubetrieben übernehmen Maschinen das Sortieren und Handhaben von Pflanzen und Töpfen. Ihre Maschinenparks haben große Ähnlichkeit mit Anlagen aus industrieller Produktion und Logistik. Man sieht Fließbänder und Rollenbahnen, auf denen Trays mit den Produkten in verschiedenen Stadien transportiert, sortiert und umgetopft werden. Die eingesetzten Greifer unterscheiden sich nur durch die Form ihrer „Finger“ von ähnlichen Vorrichtungen in anderen Branchen. Von Kleinmotoren angetrieben übernehmen sie die automatische Handhabung der einzelnen Töpfe und Pflanzenballen.
Selbstfahrende Erntemaschinen für Früchte und Gemüse haben die Serienreife für den breiten Einsatz noch nicht erreicht, doch die Richtung der technischen Entwicklung ist schon abzusehen: Kameragestützte Sensoren erkennen anhand von Farbe und Form den Reifegrad von Erdbeeren oder Paprikaschoten und erfassen deren genaue Position. Der Bordcomputer steuert anhand dieser Daten einen Roboterarm, der mit einer Art Schere und einer Auffangvorrichtung bestückt ist. Die Prototypen dieser Technologie stecken voller Elektromotoren, vom Einzelradantrieb über den Roboterarm bis zur Schneidevorrichtung und dem Sammelsystem für das Erntegut.
Schlüsseltechnologien Elektrik und Elektronik
„In der herkömmlichen Landwirtschaftstechnik sind mechanische Übersetzungen und pneumatische Antriebe weit verbreitet“, erklärt Kevin Moser, der bei FAULHABER als Business Development Manager für Anwendungen in dieser Branche zuständig ist. „Für die kleinteiligeren Systeme des Smart Farming sind diese oft zu schwer, zu klobig, mechanisch zu komplex und zu wenig energieeffizient. Wir beobachten deshalb, dass immer mehr elektrische Kleinmotoren verwendet werden, um die Kraft für gezielte Arbeitsschritte zu liefern. Die Antriebe müssen in einer Agrar-Umgebung allerdings meist sehr hohe Anforderungen erfüllen.“
Anders als die traditionellen Großgeräte sind die Maschinen und Komponenten des Smart Farming in der Regel kompakter und leichter. Das heißt, dass die Motoren oft nur wenig Platz bekommen. Trotzdem müssen sie als Antriebe von Säscheiben, Klappen, Greifern, Roboterarmen oder Scheren genug Kraft liefern, um die jeweilige Aufgabe in zahllosen Zyklen zuverlässig zu erledigen. Zugleich sollen sie hocheffizient arbeiten, denn die autonomen Einheiten beziehen ihre Energie meist aus Akkus mit begrenztem Stromvorrat. Außerdem muss die Antriebselektronik in vernetzte Strukturen eingebunden werden können und eine intelligente Steuerung möglich machen.
„Das sind typische Anforderungen an Antriebssysteme der Spitzenklasse; die passenden Antworten gehören bei FAULHABER zum Standard“, sagt Kevin Moser. „Darüber hinaus müssen die Antriebe in der landwirtschaftlichen Umgebung aber auch in höchstem Maße robust sein, damit sie selbst unter härtesten Bedingungen zuverlässig und dauerhaft funktionieren. Große Temperaturschwankungen und starke mechanische Belastungen sind in Landwirtschaft und Gartenbau gang und gäbe. Und dennoch dürfen bei all dem die Kosten nicht aus dem Blick geraten. Wir von FAULHABER können gleich mehrere Geräteserien anbieten, denen dieser Spagat gelingt.“
Moser verweist auf die wartungsfreien bürstenlosen und besonders kompakten DC-Flachmotoren der Serie BXT sowie die äußerst robusten und kosteneffizienten Kupfergraphitmotoren der CXR-Linie. Für die hohe Kraftübertragung unter rauen Bedingungen sind die Getriebe der neuen Serie GPT besonders gut geeignet. Bei höchster Effizienz sind sie ebenfalls extrem robust und damit ideal für landwirtschaftliche Anwendungen. Optionale Inkremental-Encoder ermöglichen eine hochgenaue Positionierung. Für die Vernetzung der Antriebssysteme stehen verschiedene Steuerungen, beispielsweise mit CANopen-Schnittstelle zur Verfügung. „Antriebe von FAULHABER werden bereits im Smart Farming eingesetzt“, berichtet Kevin Moser. „Für anspruchsvolle Anwendungen in diesem Bereich werden sie künftig eine wichtige Rolle spielen.“
