Mouser German Blog

Die Produktion von Feldfrüchten ist arbeits- und energieintensiv. Traditionelle Methoden für den Anbau von Rohstoffen wie Mais, Weizen, Sojabohnen, Baumwolle, Luzerne, Gemüse oder Obst erfordern in der Regel mehrere Überfahrten über das Feld mit von Menschen gesteuerten, dieselbetriebenen Traktoren, die verschiedene Geräte ziehen. Diese Geräte übernehmen Funktionen wie Pflügen, Bodenbearbeitung, Aussaat, Kultivierung, agrichemische Düngung und Ernte. Ein einziges Wachstumsjahr der Luzerne (Ernte mehrerer Feldfrüchte pro Feld) kann 15 oder mehr Traktorüberfahrten erfordern, wobei Tausende Liter fossiler Brennstoffe und hunderte von Arbeitsstunden für ein großes Feld benötigt werden. In Versuchen mit selbstfahrenden Traktoren wurde eine Reduzierung des Arbeitsaufwands angestrebt, aber der Erfolg war überschaubar. Die Elektrifizierung von Traktoren erweist sich als schwierig, da die verfügbaren Batterietechnologien nicht die Energiedichte haben, um fast ein halbes Megawatt (große moderne Traktoren haben eine Leistung von mehr als 600 PS) für eine 10-stündige oder längere Arbeitsschicht zu liefern. Dies entspricht in etwa der 50-fachen Batteriekapazität eines Tesla-Modell-S-Elektroautos. Der Anschluss eines Elektrotraktors mit einem langen Verlängerungskabel an das Stromnetz ist mit erheblichen Problemen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Sicherheit und Praktikabilität verbunden.

Das Internet der Dinge (IoT) schafft es in die Landwirtschaft

Aber was wäre, wenn wir den Traktor durch den Einsatz von Robotik und IoT-Technologien vollständig ersetzen könnten? Ein interessanter Weg könnte sich dabei von Bewässerungssystemen mit einem zentralen Drehpunkt ableiten lassen. Hier erfolgt die Bereitstellung des Wassers durch einen zentralen Turm, der als Drehpunkt dient und ein Ende eines langen Bewässerungsrohrstranges aufnimmt, während sich das andere Ende langsam um den Turm bewegt und so einen großen Kreis abfährt, ähnlich wie das Schlagen eines Kreises mit einem Zirkel. Die Rohrsegmente sind an Haltketten zwischen einer Reihe von Stütztürmen aufgehängt. Diese Stütztürme verfügen über Antriebsräder mit variabler Geschwindigkeit, die so gesteuert werden können, dass die Rohrleitung gerade bleibt. Sprinklerköpfe, die entlang des Rohrs verteilt sind, bewässern die darunter liegenden Pflanzen. Typische Systeme mit Zentraldrehpunkt haben einen Radius von einer Viertelmeile (400 m). Die Umsetzung dieser Technologie sehen sie auf Satellitenbildern der Anbauflächen in der Region Ogallala im US-Bundesstaat Nebraska.

Das hier umgesetzte Robotersystem nutzt die Traversen und Rolltürme, so dass auch schweres Gerät an einer Schiene aufgehängt werden kann, an der sich bei traditionellen Systemen mit zentraler Drehachse die Wasserleitung befindet. Ein Motorschlitten bewegt sich über die gesamte Länge der Schiene und trägt eine Drehscheibe, die wiederum das austauschbare Gerät trägt. Um das Gerät genau an der Position zu platzieren, die das System für das Feld vorgibt, werden die Räder der Türme mit koordinierter Geschwindigkeit angetrieben und schwenken somit die Schiene in den richtigen Winkel. Der Schlitten bewegt sich um den erforderlichen radialen Abstand von der Drehachse, und die Drehscheibe richtet das Gerät so aus, dass es für die erforderliche Arbeit positioniert ist und Pflanzenreihen unabhängig von ihrer Ausrichtung auf dem Feld folgen kann. Die Schienen können 3 m (10 Fuß) oder mehr über dem Boden verlaufen, um auch hohe Pflanzen bearbeiten zu können.

Das System bietet mehrere technische Innovationen: Eine parallel zur Schiene verlaufende elektrische Sammelschiene liefert elektrische Energie vom Drehpunkt aus an alle Elemente des Systems, etwa in der Größenordnung von 100 kW, 440 V, 3-phasig. Schleifkontakte auf dem Schlitten verbinden die Sammelschiene mit dem entsprechenden Gerät und liefern eine Leistung von über 100 PS. Datennetzwerke vernetzen das Gerät, den Schlitten, die Motoren, Ventile und Sensoren mit dem zentralen Drehpunkt, wo Glasfaserverbindungen für die Internetverbindung und Steuerung über die Cloud sorgen. Eine Wasserleitung bewässert das Feld, aber einzelne Ventile und auch Robotersprinklerköpfe dosieren das Wasser mit viel größerer Präzision als herkömmliche Bewässerungssysteme. Oben auf der Schiene können Fördersysteme verlaufen, um Saatgut und Agrarchemikalien zum jeweiligen Gerät zu befördern oder das Erntegut abzutransportieren. Hunderte von Sensoren, Aktuatoren und verteilten Computern verwalten das System und integrieren seine Funktionen.

Ein Anwendungsfall

Ein konkreter Anwendungsfall für das System kann wie folgt aussehen: Zunächst wird der zentrale Drehpunkt in der Mitte des Feldes verankert und verschiedene Strom-, Netzwerk-, Förder- und Wasserverteilungssysteme in ausreichender Tiefe verlegt, um ihn zu versorgen. Dann wird die Drehachse mit Schienensegmenten und Antriebstürmen auf Rädern stückweise erweitert, bis der zur Abdeckung des Feldes erforderliche Radius erreicht ist. An der Schiene wird ein Planiergerät befestigt, mit dem der Boden geebnet, planiert und von höher gelegenen Stellen zu niedrigen Stellen bewegt wird. Pflug- und Bodenbearbeitungsgeräte bearbeiten den Boden und bereiten ihn für die Saatausbringung vor. Als Nächstes wird ein Gerät zur Saatausbringung angebracht, das von der Hängeförderanlage kontinuierlich mit Saatgut versorgt wird. Es sät präzise das gesamte Feld. Das Pflanzen in Reihen ist unnötig, wenn andere Saatmuster, wie z. B. sechseckige Gitter, für die jeweilige Pflanze besser geeignet sind. Während die Pflanzen wachsen, durchfahren Grubber das Feld, um Unkraut und Schädlinge zu bekämpfen. Dieser Arbeitsschritt kann mechanisch oder auch chemisch vollzogen werden, es können aber auch Videoanalyse und Hightech-Lösungen wie Laser, Wasserstrahlen oder Eispfeile zum Einsatz kommen, um Unkraut und schädliche Insekten selektiv zu vernichten. Die Bewässerung erfolgt je nach Bedarf durch das Robotersystem auf der Grundlage von Sensoren, die die Bodenfeuchtigkeit mit einer Genauigkeit von einem Quadratmeter messen und genau die erforderliche Wassermenge aufbringen.

Zur Erntezeit wird ein für das Erntegut geeignetes Gerät auf der Schiene montiert, sammelt das Erntegut, reinigt und sortiert es und befördert die Ernte zum Fördersystem, wo sie zum zentralen Drehpunkt weitergefördert und dann zur Lagerung oder auf den Markt gebracht wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Erntemethoden lassen sich mit diesem System effizient mehrere Durchgänge mit Erntegeräten fahren. Diese analysieren das Erntegut mit ausgereiften Bildverarbeitungssystemen und ernten mit Hilfe von Ernterobotern nur den Teil der Pflanzen, der die optimale Reife erreicht hat.

Fazit

Dieses System bietet mehrere Vorteile gegenüber traditionellen landwirtschaftlichen Techniken: Es ist rein elektrisch und vermeidet Emissionen, Kohlendioxid und Preisschwankungen beim Kraftstoff. Es ist nur ein Bruchteil der Arbeitskraft notwendig, die für den Betrieb von Traktoren durch Menschen benötigt wird. Es kann Saatgut, Wasser und Agrochemikalien effizient einsetzen. Es unterstützt die selektive Ernte zur Verbesserung der Produktqualität. Bodenverdichtung und -erosion können stark reduziert werden. Es kann den ökologischen Landbau durch den Verzicht auf Chemikalien zugunsten fortschrittlicher Unkraut- und Schädlingsbekämpfungspraktiken ermöglichen und fördern. Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung dürften diese elektronischen, robotergestützten und IoT-unterstützten Technologien sehr wertvoll und hilfreich für die Verbesserung von Effizienz, Produktivität und Umweltverantwortung der Landwirtschaft sein.