KI-Beleuchtungssystem für effizientes Vertical Indoor-Farming
TH Köln optimiert vertikalen Anbau von Fruchtgemüse und Obst
Um die wachsende Weltbevölkerung mit nachhaltigen und frischen
Lebensmitteln zu versorgen, werden innovative Lösungen und neue
Technologien gebraucht. Ein vielversprechender Ansatz ist das Vertical
Indoor-Farming, also der Anbau von Fruchtgemüse oder Obst in
übereinanderliegenden Kultursystemen in Innenräumen. Um diesen zu
optimieren und damit praxistauglicher zu gestalten, arbeitet die TH Köln
im Projekt „Smarte Pflanze“ an einem intelligenten Beleuchtungssystem.
Dieses soll auf Basis von Künstlicher Intelligenz für ein effizienteres
Pflanzenwachstum sorgen und Energie einsparen.
„Beim Vertical Farming werden Pflanzen in Etagen in einer geschlossenen
Gebäudestruktur angebaut, also in Containern, Hoch-, Lager- oder
Gewächshäusern. Das ermöglicht es, große Mengen von Lebensmitteln auf
kleinem Raum und in unmittelbarer Umgebung der Verbraucher*innen zu
erzeugen – und das in gleichbleibender Qualität und unabhängig von Saison
und Klima“, sagt Prof. Dr. Mohieddine Jelali vom Institut für
Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der TH Köln. Denn die
vertikale Landwirtschaft sei unabhängig von äußeren Bedingungen wie Sonne,
Witterung, Unkraut oder Schädlingen. Dadurch würden weniger Düngemittel
benötigt. Zudem könne Wasser eingespart werden, da es in den vertikalen
Systemen zum Großteil wiederverwendbar sei.
Eine der größten Herausforderungen beim Vertical Farming ist die
Beleuchtung der Pflanzen, wie Jelali erklärt: „Diese ist ein wesentlicher
Faktor, der das Wachstumsverhalten der Pflanzen beeinflusst. Aktuelle
Studien zeigen, dass mehr als 50 Prozent des Energieverbrauchs von
vertikalen Farmen durch die Beleuchtung entsteht. Das macht etwa 40
Prozent der gesamten Produktionskosten aus.“ Zwar hätten LED-
Beleuchtungskonzepte die Energieeffizienz in den vergangenen Jahren
deutlich erhöht, mit Blick auf steigende Strom- und Wärmepreise sei die
vertikale Landwirtschaft aber stark gefährdet.
Entwicklung von smarten LED-Modulen – Tests an Chilis und Erdbeeren
Um die Beleuchtung effizienter zu gestalten, entwickelt das Team des
Instituts geneinsam mit dem Projektpartner, der BOEKS GmbH, LED-Module mit
integrierten Kameras und Sensoren. Ziel ist es, Pflanzenwachstum und
-entwicklung automatisiert zu überwachen. So sollen Algorithmen die
aufgenommenen Bilder analysieren, um Wachstumsmuster zu identifizieren,
Krankheiten zu erkennen und die Gesundheit der Pflanzen zu kontrollieren.
„Das ermöglicht es, die Lichtverhältnisse je nach Wachstumsstadium und
Zustand anzupassen. Zudem können durch die gewonnenen Daten fundierte
Entscheidungen in Bezug auf Temperatur- und Nährstoffmanagement getroffen
werden“, so Jelali.
Die smarten LED-Module sollen anschließend in einen hydroponischen
Demonstrator integriert werden, der ebenfalls im Rahmen des Projekts
entstehen soll. In hydroponischen Systemen werden Pflanzen, in diesem Fall
Chilis und Erdbeeren, ohne Erde angebaut. Die benötigten Nährstoffe und
Düngemittel werden in flüssiger Form an die Wurzeln herangebracht. „Wir
werden die Pflanzen unter verschiedenen Wachstumsbedingungen züchten und
in regelmäßigen Abständen fotografieren, um einen ausreichend großen
Datensatz zu erhalten, mit dem ein maschinelles Lernmodell trainiert
werden kann. Dieses soll auf Grundlage der erfassten Bilder dann
Pflanzenwachstumsstadien erfassen und klassifizieren können, um eine
geeignete Beleuchtung auszuwählen“, erklärt Jelali.
Die im Projekt zu entwickelnden Lösungsansätze sollen dazu beitragen, das
Potenzial der vertikalen Landwirtschaft auszuschöpfen und eine marktreife
Technologie zu entwickeln, wie Jelali weiter erläutert: „Nachdem der
globale Vertical-Farming-Markt während der Corona-Pandemie rückläufig war,
attestieren ihm aktuelle Analysen für die kommenden Jahre steigende
Wachstumsraten. Allerdings steht die vertikale Landwirtschaft noch vor
einigen Herausforderungen und befindet sich derzeit in einer Phase der
technologischen Entwicklung. Mit den im Projekt zu erarbeitenden
Lösungsansätzen wollen wir einen Beitrag dazu leisten, diese Hürden zu
bewältigen.“
Über das Projekt
Das Forschungsprojekt „Vertikales Anbausystem mit intelligenten
Beleuchtungs- und Machine Vision-Modulen zur Optimierung des
Pflanzenwachstums von Chilis und Erdbeeren“ (Smarte Pflanze) wird an der
TH Köln von Prof. Dr. Mohieddine Jelali vom Institut für
Produktentwicklung und Konstruktionstechnik geleitet. Kooperationspartner
ist die BOEKS GmbH. Das Projekt wird im Rahmen des Zentralen
Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für
Wirtschaft und Klimaschutz über einen Zeitraum von zwei Jahren mit rund
215.000 Euro gefördert.
Die TH Köln zählt zu den innovativsten Hochschulen für Angewandte
Wissenschaften. Sie bietet Studierenden sowie Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland ein inspirierendes Lern-,
Arbeits- und Forschungsumfeld in den Sozial-, Kultur-, Gesellschafts-,
Ingenieur- und Naturwissenschaften. Zurzeit sind rund 23.500 Studierende
in etwa 100 Bachelor- und Masterstudiengängen eingeschrieben. Die TH Köln
gestaltet Soziale Innovation – mit diesem Anspruch begegnen wir den
Herausforderungen der Gesellschaft. Unser interdisziplinäres Denken und
Handeln, unsere regionalen, nationalen und internationalen Aktivitäten
machen uns in vielen Bereichen zur geschätzten Kooperationspartnerin und
Wegbereiterin.
Die TH Köln zählt zu den innovativsten Hochschulen für Angewandte
Wissenschaften. Sie bietet Studierenden sowie Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland ein inspirierendes Lern-,
Arbeits- und Forschungsumfeld in den Sozial-, Kultur-, Gesellschafts-,
Ingenieur- und Naturwissenschaften. Zurzeit sind rund 23.500 Studierende
in etwa 100 Bachelor- und Masterstudiengängen eingeschrieben. Die TH Köln
gestaltet Soziale Innovation – mit diesem Anspruch begegnen wir den
Herausforderungen der Gesellschaft. Unser interdisziplinäres Denken und
Handeln, unsere regionalen, nationalen und internationalen Aktivitäten
machen uns in vielen Bereichen zur geschätzten Kooperationspartnerin und
Wegbereiterin.
