Wissenschaftler erforschen, wie vertikale Landwirtschaft in Innenräumen dazu beitragen könnte, die Nachfrage nach Lebensmitteln zukunftssicher zu gestalten

Damit sich in unserer überfüllten Welt jeder gut ernähren kann, müssen wir innovativ sein. Vertikale Landwirtschaftssysteme, bei denen Pflanzen in Innenräumen intensiv gezüchtet werden, könnten ein Teil der Antwort sein. Doch um sie im großen Maßstab einzusetzen, müssen wir wichtige Probleme überwinden, insbesondere die Steuerung des energieintensiven und teuren Lichts, das die Pflanzen zum Wachsen benötigen.

Nun zeigen Wissenschaftler, wie man durch die gezielte Manipulation des Lichts entsprechend den Bedürfnissen bestimmter Pflanzen diese kräftiger und gesünder wachsen lassen und gleichzeitig den Energieverbrauch minimieren kann.

„Der größte Vorteil vertikaler Landwirtschaftssysteme besteht darin, dass gesunde Lebensmittel viel näher am Verbraucher angebaut werden können, an Orten, an denen dies sonst nicht möglich wäre: in Megastädten, in Wüsten und an Orten, die während großer Teile des Jahres kalt und dunkel sind“, sagte Dr. Elias Kaiser, Erstautor des Artikels in Grenzen der Wissenschaft„Die größte Herausforderung sind die Kosten, die mit der Nutzung des Stroms verbunden sind.“

Licht ins Problem bringen

Viele vertikale Landwirtschaftssysteme werden unter konstanten Umweltbedingungen betrieben, die viel teuren Strom für die Wartung erfordern. Die Analyse der Wissenschaftler zeigt, dass diese anspruchsvollen Bedingungen unnötig sind: Durch eine dynamische Umweltkontrolle, so schlagen sie vor, können wir vertikale Landwirtschaft erreichen, die kostengünstiger ist und gesündere Pflanzen hervorbringt.

„Wir waren von den Rhythmen motiviert, die Pflanzen sowohl im Tages- als auch im Entwicklungsverlauf zeigen. Um ihr Wachstum perfekt zu steuern, müssen ihre Wachstumsumgebung regelmäßig angepasst werden“, sagte Prof. Leo Marcelis von der Universität Wageningen, Hauptautor der Studie.

„Wir skizzieren eine Strategie, die sich Erkenntnisse aus der Pflanzenphysiologie, neuartige Sensor- und Modellierungstechniken sowie neue, speziell für vertikale Landwirtschaftssysteme gezüchtete Sorten zunutze macht.“

Da die biologischen Funktionen von Pflanzen stark von Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen, Lichtwellenlängen und der CO2-Menge in der Atmosphäre beeinflusst werden, ermöglicht ein vertikales Landwirtschaftssystem durch Manipulation der Umwelt eine Beeinflussung der Pflanzenentwicklung.

Die Beleuchtung ist eine entscheidende Variable; alle Pflanzen benötigen sie zur Photosynthese, und unterschiedliche Lichtwellenlängen haben unterschiedliche Auswirkungen auf unterschiedliche Pflanzen. Diese Variable ist außerdem besonders empfindlich auf die Strompreise und bietet daher Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung.

„Schwankungen der Strompreise können zum Vorteil vertikaler Landwirtschaftssysteme ausgenutzt werden, indem mehr Strom genutzt wird, wenn er billiger ist“, erklärt Marcelis.

Die Autoren entwickelten ein Modell zum Testen intelligenter Beleuchtung, das darauf abzielt, die Fähigkeit der Pflanzen zur Photosynthese im Laufe eines Tages konstant zu halten und gleichzeitig die Stromkosten zu senken. Sie fanden heraus, dass ein Optimierungsalgorithmus die Stromkosten um 12 % senken könnte, ohne die Kohlenstofffixierung der Pflanzen zu beeinträchtigen, indem einfach die Lichtintensität variiert wird.

Anschließend testeten sie, ob sich die Lichtintensität veränderte und das Wachstum von Blattpflanzen wie Spinat beeinflusste, die häufig in vertikalen Farmen angebaut werden. Dabei stellten sie fest, dass es keinen negativen Effekt gab. Dies galt auch dann, wenn die Pflanzen unregelmäßig wechselnden Lichtintensitäten und nicht einem vorhersehbaren, regelmäßigen Muster ausgesetzt waren.

Die Saat der Zukunft

Bevor die vertikale Landwirtschaft zur Ernährung der Welt beitragen kann, müssen noch weitere entscheidende Probleme gelöst werden.

„Viele der vorgeschlagenen Lösungen wurden noch nicht im größeren Maßstab getestet, den vertikale Farmen darstellen. Sie wurden möglicherweise auf der Ebene einzelner Pflanzen getestet, aber noch nicht auf der Ebene des gesamten Pflanzenbestands“, warnte Kaiser.

Eine dynamische Anpassung der Luftströmungsrate, der Temperatur und des CO2-Gehalts an die Bedürfnisse der Pflanzen könnte möglicherweise Möglichkeiten zur Minimierung der Stromkosten bieten. Landwirte benötigen geeignete Sensoren und Modelle, die ihnen bei der Überwachung und Anpassung der Umgebung helfen, sowie neue Sorten, die für die vertikale Landwirtschaft gezüchtet werden.

Diese Sorten könnten das Potenzial der lokalen Produktion unter geschützten Bedingungen nutzen, um sich auf bessere Nährwerte und sensorische Qualitäten zu konzentrieren, statt auf Robustheit oder Haltbarkeit. Es bedarf weiterer Forschung, um all diese Variablen abzustimmen und das richtige Gleichgewicht zwischen hochwertigen und ertragreichen Pflanzen zu finden.

„In einer vertikalen Farm können alle Wachstumsbedingungen genau kontrolliert werden, was für die Optimierung von Ertrag, Qualität und Ressourceneffizienz sehr wichtig ist“, sagte Marcelis.

„Die technische Möglichkeit, sie konstant zu halten, bedeutet jedoch nicht, dass dies auch die beste Lösung ist. Sobald sich die dynamische Umweltkontrolle etabliert hat, können sowohl der Energieverbrauch als auch die Kosten der eingesetzten Energie erheblich gesenkt werden, was die Rentabilität und Nachhaltigkeit vertikaler Farmen erhöht.“