Archiv der Kategorie: Technik

Technik – Fluch und Segen zugleich. Setzen wir sie zum Wohlergehen der Menschen ein!

Bernd Sternal

Spargel-Ernteroboter & Co

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Die moderne Landwirtschaft ist bereits mehr automatisiert als wir wissen und ahnen. Das ist leider wohl auch notwendig, denn die Arbeitskräfte in diesem Wirtschaftssektor werden immer rarer.
Zwar ist es in Mode Bioprodukte zu verlangen, doch können sich diese nicht alle leisten. Und viele von denen, die am lautesten nach Bio und damit nach traditionellem Anbau schreien, haben sicherlich noch nie ein Feld oder einen Garten bewirtschaftet.
Landwirtschaft ist Knochenarbeit und dazu noch schlecht bezahlte. Sicherlich liegt daher die Zukunft unserer Landwirtschaft nicht ausschließlich in kleinstrukturierten Bio-Betrieben. Die wird es parallel zur industrienahen Landwirtschaft geben, wenn für alle gesorgt werden soll. Dass wir dennoch unseren Umgang mit Pflanzenschutzmitteln, Dünger und anderen gesundheits- , umwelt- und klimaschädigenden Techniken und Technologien überdenken und ändern müssen, wird davon nicht berührt.
Für die Bodenbearbeitung, die Aussaat, das Düngen und Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln und auch das Ernten gibt es bereits vielfältige Maschinen, die teilweise sogar per GPS automatisch gesteuert werden und die Arbeitsprozesse per Computer berechnen.

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Jedoch für die Ernte zahlreicher landwirtschaftlicher Produkte gab es bisher noch keine Lösung, die den Menschen als Erntehelfer ersetzen konnte.
Spargel, ein saisonales Lieblingsgemüse, ist nur mit mühevoller manueller Arbeit zu ernten. Für die Spargelbauern wird es jedoch immer schwieriger Helfer für die Spargelernte von etwa Mitte April bis zum traditionellen 24. Juni. zu bekommen. Das wiederum führt zu höheren Löhnen und damit zur ständigen Verteuerung des Gemüses.
Zahlreiche Versuche für solche voll- oder halbautomatischen Spargelerntemaschinen gibt es seit einigen Jahren. Jedoch ist die Spargelente ein dermaßen komplexer Prozess, dass bahnbrechende Entwicklungen bisher ausblieben.
Der niederländische Spargelbauer Marc Vermeer hatte wieder Mal Probleme bei der Spargelernte und er hatte einen Bruder der Erfinder war. Auf einer Familienfeier wurde über eine Spargelerntemaschine gesprochen und 2014 die Firma Cerescon gegründet, deren Zweck die Entwicklung und der Vertrieb von Spargelerntemaschinen ist.
Jedoch ist der Spargel ein sehr subtiles Gemüse. Die Beete haben eine besondere Form – sie sind hoch angehäufelt – damit der Spargel sich nicht verfärbt, denn sobald er das Sonnenlicht erblickt wird er zunächst violett und später grün. Der Erntehelfer muss also Erfahrung haben und sehen, wo sich unter der Erde die gefragten Stangen befinden. Dann muss er sie treffsicher mit dem Spargelstecher abschneiden. Dabei geht selbst bei erfahrenen Erntehelfern öfters etwas schief.
Der Spargelbauer, sein Bruder Ads und dessen Frau Therese machten sich an Werk und jeder brachte seine Erfahrungen ein. Ein völlig neuartiger Denkansatz kam auf: Spargelstangen enthalten extrem viel Wasser und das leitet Strom. Es wurden Fühler entwickelt, die durch das Spargelbeet gezogen werden und elektrischen Strom aussenden. Dieser durchdringt auch den Spargel und weil Wasser stärker leitet als die den Spargel umgebende Erde, wird der „Spargelstrom“ verstärkt. Messfühler können so die genaue Position der Spargelstangen ermitteln und diese Informationen an Spargelmesser weitergeben. Die Maschine findet sogar jene Stangen, die dem Erntehelfer verborgen geblieben wären, weil sie erst zwei bis drei Tage später die Oberfläche erreicht hätten. Nach dem Stechen wird das Beet dann von dem Automaten wieder geglättet.
Der Spargelernteautomat kann bis zu drei Beete gleichzeitig abernten. Das Herstellerunternehmen gibt dazu an: „Deshalb kann die Maschine in einem einzigen Durchgang den gesamten reifen Spargel ernten, für den bisher 60 – 75 Arbeitskräfte drei Tage hintereinander eingesetzt werden mussten.“
Und weiter äußert das Unternehmen: „Beim Handstechen gehen etwa 30 Prozent des Spargels durch Beschädigungen verloren. Wir denken, dass wir diese Quote halbieren können.“




Der Spargelproduzent Teboza in den Niederlanden hat den Ernteautomaten 2017 getestet und war zufrieden mit der Qualität.
Es bewegt sich derzeit viel bei der Entwicklung von Erntemaschinen. So beispielsweise für Blumenkohl, für Gurken und auch für Äpfel. Besonders kompliziert ist die Entwicklung für den Außeneinsatz, also dem Ernten auf dem Feld. Neben allen spezifischen Problemen mit den entsprechenden Erntepflanzen spielt dort auch noch das Gelände mit hinein.
Daher ist die Entwicklung für solche Ernteroboter in Gewächshäuser erheblich einfacher, denn das Gelände ist eben und flach und die Maschinen können auf einen Orientierungssinn verzichten und fest installiert und programmiert werden. Besonders Pflanzen mit vielen oder großen Blättern bereiteten bisher Probleme. Die beginnt man nun mit vielfaltigen, neuen, computergestützten Messverfahren zu lösen: 3-D-Kameras, Spektralkameras, Sensortechnik, Analyseprogramme machen Hoffnung auf weitere Ernteroboter.
Bleibt die Frage, die unter dem Begriff „Digitalisierung“ zwar viel diskutiert, aber bisher nicht ansatzweise beantwortet wird. Was wird mit allen Menschen, die keinen höheren Bildungs- oder Ausbildungsabschluss aufzuweisen haben?

Das künstliche Blatt – eine reale Vision?

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In Sachen Energiegewinnung können wir Menschen von der Natur viel lernen. Ein prägnantes Beispiel ist die Photosynthese: Zwar ist diese sehr uneffizient, denn sie setzt maximal ein Prozent der Sonnenenergie in gespeicherte Energie um. Das jedoch machen die Pflanzen auf einfachste Art und Weise und mit unnachahmlicher Umweltverträglichkeit. In zwei Halbreaktion spalten die Pflanzen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Um diese Reaktionen zu beschleunigen verwenden sie Katalysatoren. Die beiden Halbreaktionen laufen separiert durch eine Membran ab, die den Wasserstoff und den Sauerstoff zwar trennt, Ionen jedoch passieren lässt. Durch diesen Kunstgriff der Natur wird verhindert, dass der leichtbrennbare Wasserstoff bei Anwesenheit von Sauerstoff spontan verbrennt.

Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Urheber: Kristian Peters -- Fabelfroh, 2006
Photosynthese – Plagiomnium affine, Laminazellen, Rostock, Foto- Wikipedia Urheber: Kristian Peters – Fabelfroh, 2006

Klingt eigentlich recht unspektakulär, ist es aber dennoch nicht. Seit vielen Jahren stehen zahlreiche Forscher weltweit im Wettstreit um das sogenannte künstliche Blatt. Bisher ergebnislos, jedoch zeichnen sich deutliche Fortschritte ab.
Zwei der weltweit führenden Protagonisten in diesem Forscherwettstreit sind Nathan Lewis und Daniel Nocera. Lewis ist Professor am California Institut of Technologie und Leiter der Forschungsgruppe Joint Center of Artificial Photosynthesis. Prägnant und provokant zugleich ist seine Aussage zur Photovoltaik: „Kein Speicher? Kein Strom nach 16 Uhr.“
Das von den USA finanzierte Forschungsprojekt hat ein Ziel: das künstliche Blatt. Und dieses soll die effektivsten Pflanzen übertreffen.
Prinzipiell muss das künstliche Blatt prozessmäßig sich an das natürliche anlehnen. Bionik nennt sich dieser Wissenschaftszweig. Dennoch kann man die Natur natürlich nicht nachahmen, sondern nur ihr Funktionsprinzip erkennen und technologisch eine vergleichbares entwickeln. Geforscht wird mit PEC – Photoelektrochemische Zellen -, die das Wirkprinzip des Blattes gewissermaßen zu kopieren versuchen. Dazu werden Photoelektroden, die in Wasser getaucht werden, eingesetzt. Welches Licht des Sonnenspektrums dabei genutzt wird ist noch nicht endgültig geklärt. Für die Anode, die Sauerstoff erzeugen soll, wird bläuliches Licht favorisiert, für die Wasserstoff-Kathode eher rötliches Licht.
Damit eine neue Technologie sich verbreiten kann, muss sie mehrere Eigenschaften erfüllen: preisgünstig, effizient, sicher und zudem langlebig. Auch ist auszuschließen, dass dieses „Künstliche Blatt“ auch nur entfernt Ähnlichkeit mit einem Natur-Blatt haben wird; es wird nur dessen elektrochemischen Prozesse zur Energiegewinnung aus Wasser zu reproduzieren versuchen. Als vergleich kann man das Flugzeug heranziehen, das sich wohl als eines der ersten Technikobjekte an dem Flug der Vögel orientierte, optisch – ohne Federn – jedoch kaum noch mit einem Vogel vergleichbar ist.

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Die Probleme bei diesen Prozessen sind die einsetzbaren Materialien, welche die geforderten Eigenschaften erfüllen können. Tausende davon sind heute bekannt, doch welche sind geeignet und dazu preisgünstig, effizient, sicher und langlebig? Computer sind dabei sehr hilfreich, dennoch müssen die so ermittelten Materialien und Verbindungen getestet werden. Und letztlich gehört auch zur Wissenschaft nicht nur umfangreiches Wissen und viel Fleiß, sondern auch eine Portion Glück – eben das Glück des Tüchtigen. Die Forschergruppe von Professor Lewis hatte diesen glücklichen Moment – zumindest teilweise. Bei ihren Forschungen und Experimenten stießen sie auf einen preiswerten Katalysator, der in der Erdölindustrie Schwefel aus den Produkten entfernt und zudem sehr geeignet ist, auch die Wasserstofferzeugung zu beschleunigen. Jedoch gibt es bisher wohl noch einen Wermutstropfen: der Katalysator für die Sauerstofferzeugung wird noch gesucht. Was für Lewis dennoch nicht ganz so tragisch ist, denn sein Schwerpunkt liegt in der Herstellung von Wasserstoff als Energieträger sowie in der Nutzung von Kohlendioxiden, die zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden sollen.
Nathan Lewis hat einen großen Konkurrenten: Daniel Nocera. Er lehrt auch in den USA, und zwar in Harvard an der Ostküste, verfolgt jedoch einen ganz anderen Lösungsansatz. Nocera setzt nicht wie sein Forscherkollege auf die Produktion von Wasserstoff, sondern will diesen Schritt – hin zu Kohlenwasserstoffen – überspringen. Diese sollen konventionelle Erdölprodukte vollständig ersetzen. Nocera nutzt dabei die zuvor gesammelten Erfahrungen bei der Einführung neuer Technologien und den Verharrungswiderstand der Gesellschaft dagegen. Für Kohlenwasserstoffe könnte die gesamte weltweit vorhandene Erdölinfrastruktur weiterhin genutzt werden – sicherlich ein unschätzbarer Vorteil.




Jedoch ist die Erzeugung selbst einfachster Kohlenwasserstoffe unglaublich komplexer, als die von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und auch die ist bisher nur im Laborbetrieb gelungen. Dennoch konnte Prof. Nocera in den letzten Jahren einige außergewöhnliche Erfolge erzielen. Er baute ein Gerät mit einem anorganischen Katalysator, das zunächst Wasserstoff aus Wasser erzeugte. Diesem wurde dann zudem Kohlendioxid zugeführt und mittels gentechnisch veränderter Bakterien wurden aus dem Stoffgemisch flüssige Brennstoffe produziert: Alles jedoch nur unter Laborbedingungen. Die Bakterien vertrugen sich allerdings nicht mit Katalysator, aber irgendwas ist ja immer.
Also wurde nach einem neuen Katalysator gesucht, der sich mit den fleißigen Bakterien vertrug, und er wurde gefunden. Laut Nocera können die Bakterien, in Verbindung mit dem neuen Kobalt-Phosphor-Katalysator, verschiedene Kohlenwasserstoffe produzieren. 2017 setze er mit seinem Team noch einen drauf, in dem er demonstrierte, dass sein technologischer Ansatz auch in der Lage sei, aus dem Stickstoff der Atmosphäre Ammoniak herzustellen. Gelänge das industriell, so würden riesige Mengen an Energie zur Herstellung von Stickstoff-Düngemittel eingespart.
Interessante Aussichten: Dennoch bleibt die Frage, ob gentechnisch veränderte Bakterien die Lösung energetischer Probleme darstellen können, zumal diese sehr fragil sind. Da scheint zunächst die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser erfolgversprechender. Doch wer vermag technologische Entwicklungen schon vorauszusehen?

Drohnen im Einsatz: moderne Technologie rettet Leben

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Mit fortschreitenden medizinischen Kenntnissen fällt es Ärzten, Sanitätern und anderem medizinischen Personal leichter,Leben zu retten, als es noch vor einigen Jahren der Fall war. Auch wenn längst nicht alle Krankheiten geheilt und Verletzungen kuriert werden können, lässt der stetige Fortschritt hoffen, dass in der Zukunft noch viel mehr möglich sein wird als heute. Das gilt aber nicht nur für die Kenntnisse und Heilungsmethoden, sondern auch für die Technologie, die zum Einsatz kommt.

Drohnen erfreuen sich in zahlreichen Bereichen großer Beliebtheit. Die fliegenden Objekte lassen sich zu unterschiedlichen Zwecken einsetzen, und das nicht nur zur eigenen Belustigung,sondern auch in sehr ernsten Angelegenheiten. So gestaltet sich beispielsweise die Überwachung mithilfe der einfach zu steuernden Objekte besonders einfach und komfortabel. Drohnen können aber auch in der Lage sein, Menschenleben zuretten – so geschehen zum Beispiel in Australien, wo zwei junge Männer beim Schwimmen von einer starken Strömung überrascht wurden und in Seenot gerieten. Eine erst kürzlich erworbene Drohne wurde daraufhin von den Rettungsschwimmern losgeschickt, um die Verunglückten zu finden und zu retten. Das Pilotprojekt,das erst wenige Tage zuvor gestartet war, war ein Erfolg auf ganzer Linie.

Für die lebensrettende Drohne war es kein Problem, den Seekilometer binnen nur einer Minute zurückzulegen. Rettungsschwimmer hätten bei ruhiger See dafür die sechsfache Zeit benötigt – bei der vorherrschenden Strömung war an ein Heranschwimmen aber gar nicht zu denken! Als die Drohne die jungen Männer erreicht hatte, warf sie eine Schwimmhilfe ab, an der sie sich fest- und über Wasser halten konnten. Die Rettung der in Seenot geratenen Jugendlichen gelang so problemlos. Aufgrund des erfolgreichen Einsatzes werden Drohnen in Zukunft häufiger im Bereich Seerettung eingesetzt werden. Und das ist noch nicht alles; auch in der Bergrettung erweisen sich die Flugobjekte als überaus sinnvoll. Hier können aufgrund der geringen Größe und hohen Wendigkeit der Drohnen Regionen erreicht werden, in die Menschen nicht vordringen können.Im Vergleich zu Helikoptern haben sie daher einen entscheidenden Vorteil.Darüber hinaus lassen sie sich auch bei schlechter Sicht oder bei Nacht einsetzen.

Auch im Alltag gibt es für Drohnen zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten in der Menschenrettung. Verirrt sich etwa ein Alzheimer-Patient, kann dieser mithilfe der vielseitigen Flugobjekte gezielt gesucht und gefunden werden – und das effektiver und mit deutlich weniger Aufwand als mit einem Suchtrupp. Denkbar ist auch der Einsatz bei einem Hauseinsturz mit Verschütteten. Feststeht, dass Drohnen in Zukunft immer häufiger und vielseitiger im Rettungsbereich als vielseitiger Helfer Verwendung finden werden.