Controlled Environment Agriculture

Überblick

In den letzten Jahren hat unsere Professur einen großen Teil ihrer Forschung auf die Bereiche Landwirtschaft unter kontrollierten Bedingungen und zirkuläre Lebensmittelproduktion ausgerichtet. Aber was ist eine kontrollierte Umgebung und warum sollten meine Lebensmittel zirkulär sein?

Controlled Environment Agriculture (CEA) hat sich zu einem wichtigen Bereich der modernen Landwirtschaft entwickelt und bietet ein immenses Potenzial, die Lebensmittelproduktion zu revolutionieren und die Herausforderungen der nachhaltigen Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung zu bewältigen. Dabei geht es um die Schaffung optimaler Wachstumsbedingungen für Pflanzen in geschlossenen und hochautomatisierten Einrichtungen wie Gewächshäusern, vertikalen Farmen oder Indoor-Farmen, in denen Umweltfaktoren wie Temperatur, Licht, Feuchtigkeit und Nährstoffgehalt überwacht und präzise gesteuert werden können - daher der Name.

Die Bedeutung von CEA liegt in seiner Fähigkeit, die Grenzen traditioneller Anbaumethoden zu überwinden, die in hohem Maße von unvorhersehbaren Wettermustern abhängig und anfällig für Schädlingsbefall und Krankheiten sind. Durch die Bereitstellung einer kontrollierten und optimierten Umgebung ermöglicht CEA einen ganzjährigen Anbau, reduziert den Wasserverbrauch erheblich, macht den Einsatz schädlicher Pestizide überflüssig und maximiert die Ernteerträge. Darüber hinaus bietet CEA das Potenzial für eine regionale und nachhaltige Nahrungsmittelproduktion, wodurch die Abhängigkeit von langen Transportwegen verringert und der mit der konventionellen Landwirtschaft verbundene CO2-Fußabdruck minimiert wird.

Neben dem Pflanzenanbau setzen wir unsere Regelungsmethoden ein, um das Wachstum von Larven und Fischen zu optimieren, mit dem Ziel einer zirkulären Nahrungsmittelproduktion. Im Rahmen des CUBES Circle-Projekts erforschen wir das Konzept, die Nebenprodukte des Pflanzenanbaus, wie Reste und organische Abfälle, als Futter für Insektenlarven zu verwenden. Diese Larven wiederum dienen als nahrhafte Futterquelle für Fische. Das nährstoffreiche Fischabwasser wird wiederum als Nährlösung für die Pflanzen wiederverwendet, womit sich der "Kreislauf" schließt. Dieses geschlossene Kreislaufsystem minimiert die Abfälle, maximiert die Ressourceneffizienz und schafft eine symbiotische Beziehung zwischen den verschiedenen Komponenten des Produktionssystems.

Um ein optimales Wachstum von Larven und Fischen im Kreislaufsystem zu erreichen, werden in jeder Phase des Prozesses Regelungssysteme eingesetzt, die es ermöglichen, wichtige Parameter wie Wasserqualität, Temperatur, Sauerstoffgehalt oder Fütterungszeiten zu überwachen und zu regulieren. Durch die präzise Kontrolle dieser Variablen stellen wir sicher, dass die Pflanzen, Larven und Fische optimale Bedingungen für Wachstum, Gesundheit und Nährstoffaufnahme erhalten. Diese Integration der Rückkopplungskontrolle in das Kreislaufsystem der Lebensmittelproduktion verbessert die Gesamtproduktivität, die Nachhaltigkeit und die Ressourcennutzung.

Es überrascht nicht, dass der Aufbau eines solchen Kreislaufsystems ein tiefes Verständnis der biologischen Prozesse erfordert, die das Wachstum der beteiligten Organismen steuern. Die erfolgreiche Umsetzung und Optimierung dieser Systeme erfordert die Zusammenarbeit von Experten aus den Bereichen Pflanzenwissenschaften, Aquakultur, Biologie, Umweltwissenschaften und Ingenieurwissenschaften. Dieser interdisziplinäre Ansatz ermöglicht es den Forschern nicht nur, die komplexen physiologischen und ökologischen Wechselwirkungen innerhalb des Systems zu verstehen, sondern auch innovative Lösungen zu entwickeln, um das Wachstum zu verbessern, den Nährstoffkreislauf zu optimieren und die allgemeine Gesundheit und das Wohlbefinden der beteiligten Organismen zu erhalten. Durch die Förderung der interdisziplinären Zusammenarbeit fördert diese Forschung ein ganzheitliches Verständnis für die Verflechtung von biologischen Prozessen, technologischen Fortschritten und nachhaltigen Praktiken und ebnet so den Weg für transformative Lösungen für die Lebensmittelproduktion der Zukunft.

In unserer Professur entwickeln wir in Zusammenarbeit mit Experten aus der Biologie Methoden, um verschiedene Herausforderungen in den beschriebenen Versuchsanordnungen zu bewältigen. Techniken zur Entwicklung von Beobachtern ermöglichen die Schätzung von nicht gemessenen Variablen und helfen bei der Überwachung von Wachstum und Gesundheit der Organismen. Algorithmen des maschinellen Lernens werden eingesetzt, um riesige Datenmengen aus dem System zu analysieren und verborgene Muster und Trends zu erkennen, die Vorhersagemodelle und fundierte Entscheidungen ermöglichen. Durch optimale Regelung erleichtern wir die effiziente Zuweisung von Ressourcen wie Licht, Wasser und Nährstoffen, um die Gesamtproduktivität zu maximieren und die Verschwendung zu minimieren. Darüber hinaus werden hierarchische Regelungen implementiert, um die komplexen Wechselwirkungen und die Dynamik zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems zu steuern und einen koordinierten und effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Die Einbindung von Ingenieuren in das Studium der CEA bietet ihnen eine einzigartige Gelegenheit, einen Beitrag zur nachhaltigen Landwirtschaft zu leisten. Erforschen Sie mit uns in unserer Professur innovative Ansätze zur Optimierung des Pflanzenwachstums, entwickeln Sie Strategien für einen effizienten Nährstoffkreislauf und entwerfen Sie Regelungssysteme zur Verbesserung des Wachstums und des Wohlbefindens von Pflanzen, Larven und Fischen. Diese interdisziplinäre Forschung fördert ein tieferes Verständnis für die Verflechtung der verschiedenen Elemente in einem Kreislaufsystem der Lebensmittelproduktion und vermittelt den Studierenden die notwendigen Fähigkeiten, um die komplexen Herausforderungen der zukünftigen Lebensmittelproduktion zu bewältigen.