Vom All bis ins Meer – Digitaler Zwilling als Chance für die Landwirtschaft

Können Sie sich vorstellen, dass Landwirt*innen künftig immer mehr hinter Bildschirmen und nicht mehr auf Feldern arbeiten? Selbstfahrende Traktoren, Felder, die sich selbst bewässern – das ist keine Szene aus einem Science-Fiction-Film, sondern könnte Realität werden – dabei hilft ein Digitaler Zwilling.

Die Digitalisierung ist längst in der Landwirtschaft angekommen: Feldroboter sind im Einsatz und Traktoren werden per App gesteuert. Doch was ist der nächste Schritt? Dieser nächste Schritt könnte der Einsatz von Digitalen Zwillingen sein. Ein Digitaler Zwilling ist laut Fraunhofer IESE ein virtuelles Abbild eines physischen Objekts, das den aktuellen Zustand des Systems zeigt und dadurch das Verhalten des Systems vorhersagen kann. Die Sammlung der Daten am physischen Objekt erfolgt u.a. durch Sensorik, zum Beispiel können Sensoren an einer Pflanze die Trockenheit dieser messen. Die Aufbereitung dieser Daten wird jeweils mit verschiedener Software gemanagt. Der Einsatz dieser Technologie beschränkt sich aktuell noch auf Pilotprojekte. Eines dieser Projekte ist Nemo’s Garden, bei dem der Digitale Zwilling einen ganz besonderen Einsatzort findet. Aber zunächst lässt sich klären, was ein Digitaler Zwilling überhaupt ist.

Der Weg zum Digitalen Zwilling

Das Konzept der digitalen Zwillinge hat eine lange und vielschichtige Geschichte, deren Wurzeln in verschiedenen Bereichen wie Technik, Informatik und Management liegen. Dabei hat der Begriff mit der Zeit durch Innovationen in den digitalen Technologien, wie dem Internet of Things (IoT), der künstlichen Intelligenz (KI) und durch Cloud Computing deutlich an Aufmerksamkeit unter Anwender*innen gewonnen. Diese Technologien ermöglichen im Zusammenspiel eine Erfassung, Speicherung, Analyse und die Visualisierung von großen Datenmengen in Echtzeit. 1950 wurde der Begriff Digitaler Zwilling erstmals von dem Mathematiker und Ingenieur Dr. Norbert Wiener geprägt, der damit die Verwendung von Computersimulationen zur Nachbildung des Verhaltens physikalischer Systeme beschrieb.

Die Entwicklung Digitaler Zwillinge wurde durch eine Vielzahl von Faktoren vorangetrieben. Dazu zählen die Verbesserung der Effizienz, Effektivität und Zuverlässigkeit von insbesondere industriellen Prozessen. Ein Ziel ist es, Ausfallzeiten solcher Industrieanlagen zu reduzieren. Im Zuge einer immer wichtiger werdenden Klimapolitik können auch Auswirkungen physischer Systeme auf die Umwelt untersucht und angepasst werden. Digitale Zwillinge können in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden, zum Beispiel in der Fertigung, im Gesundheitswesen, in der Logistik und in der Landwirtschaft.

Der Digitale Zwilling ist noch nicht ausgereift

Die Landwirtschaft ist ein jahrhundertelang perfektioniertes Handwerk. Landwirt*innen wissen genau, wie sie ihre Pflanzen pflegen müssen, um möglichst gute Erträge zu generieren. Die Vorgänge in der Landwirtschaft von der ersten Aussaat, über die Düngung und Bewässerung bis hin zur Ernte sind komplex. Die Vorgehensweisen haben eine sehr lange Tradition und können je nach Ort der Betriebe und deren Geschichte stark variieren. „Sie analysieren das Feld nicht anhand tausender Parameter, sondern sie wissen aus Erfahrung, was zu tun ist. Diese Schritte in technische Prozesse zu übertragen, ist eine Herausforderung“, sagt Bernd Rauch, Softwareingenieur am Fraunhofer IESE und Experte für Digitale Zwillinge in der Landwirtschaft. Deshalb ist es komplexer, einen Digitalen Zwilling für die Landwirtschaft zu bauen, als diese Technologie für die Industrie oder die Medizin anzuwenden. Trotzdem ist es möglich.

So können Digitale Zwillinge beispielsweise die Dokumentation in der Landwirtschaft erleichtern. „Landwirte müssen sehr viel dokumentieren: was sie gesät haben, was sie an Pflanzenschutz- oder Düngemitteln verwendet haben, und so weiter. Das alles müssen Sie bei Behörden einreichen, um Subventionen für ihre Anbauten zu bekommen”, erklärt Rauch. Diese Vorgänge finden teilweise noch analog auf Papier statt. Ein Digitaler Zwilling, der die Daten zu den Arbeitsgängen der Landwirt*innen “verinnerlicht” hat, könnte so bei der Dokumentation und der Einreichung dieser Daten helfen.

Trotz ihrer Vorteile ist die Technologie in der Landwirtschaft noch nicht vollumgänglich verbreitet. Prinzipiell sind die Landwirt*innen gegenüber der Digitalisierung offen und wollen sich der Zeit anpassen. Trotzdem gibt es Probleme, die die Digitalen Zwillinge mit sich bringen. Besonders der finanzielle Aspekt ist ein Hindernis für die Bauer*innen. „Auf der einen Seite wünschen sich die Landwirte Erleichterungen für ihre Arbeit und möchten das gerne umsetzen”, erklärt Bernd Rauch, “Auf der anderen Seite sind die Landwirte schon unter Kostendruck und können sich größere Investitionen nicht leisten”. Außerdem ist die Technologie in den meisten Fällen noch nicht ausgereift und funktioniert noch nicht einwandfrei. Das schreckt die Landwirt*innen ab.

Blick aus dem All

Eine Grundvoraussetzung bei der Nutzung von Digitalen Zwillingen ist die Vollständigkeit der erfassten Daten. Die Datenerfassung ist ein wesentlicher Bestandteil der Erstellung und Pflege eines digitalen Zwillings, da sie es dem Modell ermöglicht, das reale Objekt oder System genau wiederzugeben. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Daten für einen digitalen Zwilling zu sammeln, wie die Erfassung durch Sensoren, welche in dem zu modellierenden physischen System angebracht werden, um Daten über dessen Eigenschaften, Verhalten und Leistung zu sammeln. Ebenso können Daten manuell eingegeben werden. Auch ist maschinelles Lernen eine

Möglichkeit, Daten zu erfassen. Algorithmen des maschinellen Lernens können verwendet werden, um von Sensoren oder anderen Quellen erfasste Daten zu analysieren, um Muster und Trends zu erkennen, die dann in den digitalen Zwilling integriert werden können. Die typische Landwirtschaft spielt sich auf Hektar großen Feldern ab. Dadurch bedarf es besonders hier einer geeigneten Technologie, um so viele Daten wie möglich über das gesamte bewirtschaftete Feld zu erfassen.

Eine Lösung bietet die deutsche Firma ConstellR GmbH aus Freiburg an. Sie bauen Satelliten und entwickeln eine Satellitenkonstellation, die mit Wärmebildkameras ausgestattet sein wird. Mit dieser Technologie messen sie die Oberflächentemperatur des Bodens, so dass, bevor physische Krankheitssymptome zu sehen sind, frühzeitig erkannt wird, wann ein Feld unter Stress gerät oder Temperaturen im Umfeld schwanken. Diese Datenerfassung hebe sich von den aktuellen Marktstandards deutlich ab, erzählt Charlie Siggs, Agronom bei ConstellR. „Die derzeitigen Marktstandards liegen bei einem Kilometer Auflösung pro Pixel. Wir bringen das auf 50 Meter pro Pixel. Dadurch kann man noch detailliertere Informationen sehen. Es kann zur Messung der Evaporit-Transpiration verwendet werden – der Wassermenge, die die Pflanze verliert. Mit diesen Informationen kann man den Bewässerungsbedarf berechnen”, führt Siggs aus. Neben dem Stresslevel der Pflanze und der Temperaturen können die Satelliten Daten mit Hinblick auf das Wachstumsstadium der Pflanzen erfassen.

Mit Hilfe dieser Informationen können Landwirte rechtzeitig die entsprechenden Maßnahmen treffen, um potenzielle Probleme zu verhindern. Die Kunden die ConstellRs Satellitentechnologie verwenden erhalten eine Art „Heatmap”, also eine Wärmebild-Karte, die eine Übersicht über alle Daten bietet. Firmen wie BayerCorps, CYMMYT und Syngenta verarbeiten die Satellitenbilder weiter und bereiten sie für Landwirt*innen auf.

Ein konkretes Anwendungsbeispiel für die Nutzung der Daten sei die Entwicklung von neuen Pflanzensorten, so Siggs. „Von der ersten Saatgutproduktion bis zur Auslieferung an die Landwirte vergehen etwa sechs bis sieben Jahre. Bevor sie an die Landwirte ausgeliefert wird, werden weitere zwei Jahre lang Feldversuche mit kleinen Pflanzen durchgeführt. Diese Versuche sind aufgrund der Menge des verfügbaren Saatguts begrenzt. Wenn sie es dann auf einem Feld anbauen wollen, können sie die klimatischen Bedingungen prüfen und eine Simulation durchführen, um zu sehen, wie sich das neue Saatgutprodukt bewähren würde”, erläutert der Agronom aus England. Besonders den Wandel der klimatischen Bedingungen hält der Brite für den wichtigsten Aspekt bei der Bekämpfung von landwirtschaftlichen Herausforderungen. Die Wasserknappheit und die damit einhergehenden Dürrephasen führen zum Verlust von wertvollen Böden. Wasser müsse effizienter eingesetzt werden.

Wasser als Basis für Alles

So sieht das auch Idel Montalvo, Gründer und Geschäftsführer von Ingenious Water, einem Unternehmen, welches sich dem Monitoring von Wassernetzen gewidmet hat. Eine effiziente Wassernutzung ist für die Landwirtschaft aus mehreren Gründen wichtig. Wasser ist eine kritische Ressource für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Ohne ausreichendes Wasser können die Pflanzen nicht gedeihen, was zu geringeren Erträgen und potenziell niedrigeren Gewinnen für die Landwirte führt. Wasserknappheit wird in vielen Teilen der Welt zu einem immer drängenderen Problem, insbesondere aufgrund des Klimawandels.

Daher ist es für Landwirt*innen wichtig, Wasser effizient zu nutzen, um sicherzustellen, dass genügend Wasser für das Wachstum der Pflanzen zur Verfügung steht. Gleichzeitig soll der Bedarf an lokalen Wasserressourcen verringert werden. Eine effiziente Wassernutzung kann dazu beitragen, die Bewässerungskosten der Landwirt*innen zu senken. Durch eine effizientere Wassernutzung können die Landwirte die Wassermenge reduzieren, die sie pumpen und an ihre Pflanzen liefern müssen, was die Kosten für die Bewässerung senken kann. Laut Montalvo, ist es für Unternehmen, aber auch für Landwirte wichtig, durch den Einsatz geeigneter Technologie optimale Voraussetzungen zu schaffen und Problemen entgegenzuwirken. „Damit sie zum Beispiel einfache Modelle erstellen können und diese mit Sensorik verbinden können, um so das Werk oder das Feld zu überwachen. Ziel ist es, dass sie zu einem günstigen Preis ihr Wassernetz monitoren können. So wird alles effizienter und die Versorgung leichter. Auch der Wasserverschwendung vorgebeugt”, so der kubanische Gründer.

Basilikum aus dem Meer

Ein Projekt, bei dem die klassische Landwirtschaft einen Schritt weitergedacht wurde, ist Nemo’s Garden. Der italienische Taucher Sergio Gamberini hatte diese Idee und setzte sie auch um, als er 2012 anfing, eine Möglichkeit, Basilikum unter Wasser anzubauen, zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit der Ocean Reef Group, einer Marke für Unterwasser-Ausrüstung, wurde aus der Idee schnell das Projekt Nemo’s Garden.

Ziel des Vorhabens ist es, mit Unterwasser-Anbau von Gemüse und Obst eine Möglichkeit zu finden, um der weltweiten Lebensmittelknappheit entgegenzuwirken. Landwirtschaftliche Fläche, die für den Anbau von Obst- oder Gemüse geeignet ist, ist knapp und ungleich auf der Welt verteilt. Doch was es überall auf der Welt, nämlich auf 70 Prozent der Erdoberfläche gibt, ist Wasser. So kam der Gründer auf die Idee, seine Güter – am Anfang war es Basilikum, später kamen auch Tomaten dazu – im Meer anzubauen. In 6 Metern Tiefe wurden die ersten Versuche mit kugelförmigen Gewächshäusern, die mit Luft und Sauerstoff gefüllt sind, durchgeführt.

Schnell zeigte sich, dass die Landwirtschaft Unterwasser funktioniert. Der Anbau im Meer funktioniert nicht nur, er bringt sogar Vorteile gegenüber dem Anbau auf dem Land. So sorgt die Feuchtigkeit, die von den Pflanzen ausgestoßen wird und sich an den Wänden der Sphären sammelt, um dann wieder herunterzutropfen, für ein internes Klima. Dieses Klima hilft bei der Bewässerung der Pflanzen und sorgt dafür, dass diese keine zusätzliche Wasserzufuhr brauchen.

Da die klassische Landwirtschaft ungefähr 70 Prozent des weltweiten Süßwassers Verbrauchs ausmacht, ist das eine essenzielle Erkenntnis für die Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel. Außerdem sind die Pflanzen, die in im Meer geerntet werden, eine Art Superfood. „Bei der Ernte dieser Produkte haben wir durch eine Analyse der Pflanzen festgestellt, dass sie mit viel mehr Vitaminen angereichert sind als die Pflanzen, die auf dem Acker angebaut werden und mit Pestiziden und dergleichen belastet sind. Damit haben wir die Möglichkeit, eine wirklich nährstoffreiche Landwirtschaft zu betreiben, die für die Kunden viel gesünder und effektiver ist“, erklärt Tom Tengan von Siemens Xcelerator, der Plattform, die die Technologie hinter Nemo’s Garden stellt. So bringt das Projekt eine realistische Alternative zur klassischen Landwirtschaft auf dem Feld.

Allerdings gibt es auch Probleme mit dem Projekt. Für den Menschen ist es aufgrund von Umgebungsbedingungen, wie Strömungen oder Wassertiefe, schwer, die Gewächshäuser im Meer zu kontrollieren. Außerdem verbieten die italienischen Umwelt- Behörden eine regelmäßige Inspektion durch Taucher*innen im Meer. Das brachte das Team von Nemo’s Garden dazu umzudenken und nach einer Möglichkeit, die Gewächshäuser abzubilden und von Land aus zu prüfen, zu suchen. So kam die Zusammenarbeit mit Siemens Xcelerator und deren Digitalen Zwilling zustande.

Der Unterwasser-Zwilling

Das Projekt Nemo’s Garden kam an seine Grenzen, als es darum ging, die Gewächshäuser unter Wasser zu pflegen. Das Problem war die für Menschen schwer zu überwindenden Umgebungsbedingungen im Meer. Genau hier kommt der Digitale Zwilling in den Einsatz. Durch die Technologie wird es möglich, die Gewächshäuser eins zu eins digital nachzubauen und mit Hilfe der gesammelten Daten die Gegebenheiten zu simulieren.

Der Digitale Zwilling von Nemo’s Garden wird mit Hilfe der Siemens Xcelerator-Plattform gebaut. Die Plattform unterstützt Unternehmen dabei, ihre Systeme zu digitalisieren und Hardware und Software zu vernetzen. Durch die Hardware von Siemens werden Daten über die Gegebenheiten unter Wasser gesammelt. Zum Beispiel die Feuchtigkeit im Gewächshaus, der Sauerstoffgehalt oder der Trockenstress der Pflanzen. Diese Daten werden dann anhand der Plattform ausgewertet und aufbereitet. So ist es möglich, verschiedene Szenarien vorauszusagen und so die Versorgung der Pflanzen anhand dieser Simulationen zu gewährleisten, ohne, dass ein Mensch tauchen muss. Auch bei Komplikationen kann dank des Digitalen Zwillings schnell gehandelt werden. „Wenn die Pflanzen irgendwelche Probleme haben, benachrichtigt die Siemens Xcelerator Plattform zusammen mit unseren Hardwarelösungen und nimmt automatisch Anpassungen an dieser Umgebung vor, um sicherzustellen, dass die Wachstumsbedingungen optimal sind“, erklärt Tom Tengan von Siemens Xcelerator.

Dadurch, dass der Digitale Zwilling viele Daten zu den Gewächshäusern sammelt und die Folgen von Veränderungen in den Gegebenheiten simulieren kann, ermöglicht er auch, an anderen Stellen der Welt unter Wasser anzubauen. „Wir verfügen über eine enorme Menge an digitalen Daten über das Klima und die Sonneneinstrahlung auf jedem beliebigen Teil des Ozeans überall auf der Welt. Damit können wir Simulationen durchführen, so dass wir wissen, wie sich das Klima genau auswirkt und wie die Kuppeln in diesem Bereich aussehen sollten“, erklärt Tengan. Der Vorteil davon ist, dass so die Pflanzen dort angebaut werden können, wo sie gebraucht werden: „Wenn Sie versuchen, Pflanzen überall hin zu verschiffen, anstatt sie in der Nähe des Bedarfsortes anzubauen, verursachen Sie wahrscheinlich ein noch größeres Problem mit dem CO2- Fußabdruck“, erklärt er. Nemo’s Garden ist ein besonderes Beispiel, das zeigt, wie ein DigitalerZwilling die Arbeit in der Landwirtschaft optimiert.

Digitale Zwillinge sind das Ziel

Vom Weltraum bis an den Meeresboden – Digitale Zwillinge können überall Landwirt*innen helfen, ihre Ernten zu verbessern. Die Digitalisierung der Landwirtschaft ist bereits in vollem Gange und der nächste Schritt geht in Richtung der Digitalen Zwillinge. Die Simulationen helfen, den Anbau von landwirtschaftlichen Gütern zu vereinfachen und dabei die Effizienz zu steigern. Egal in welcher Umgebung sich die Pflanzen befinden, die Technologie kann an die Gegebenheiten angepasst werden und so Voraussagen treffen.

Bernd Rauch von Fraunhofer IESE stellt die Vermutung auf: „Ich glaube, dass in den kommenden Jahren der Trend stark zum ökologischen Landbau geht, wo die mechanischen Handgriffe gebraucht werden. Dann müssten sich eigentlich solche Technologien, wie der digitale Zwilling, durchsetzen. Der Druck, irgendwann eine Automatisierung in der Landwirtschaft einzusetzen, wird immer mehr steigen.“ Bis Digitale Zwillinge eine massentaugliche Technologie sind, wird noch einige Zeit vergehen. Die Technologie ist noch nicht ganz ausgereift. Außerdem gibt es noch das Problem der Finanzierung dieser Lösungen. „Es wird zwar unheimlich viel subventioniert, die Ernährung ist ja auch sehr wichtig, aber davon bleibt ganz wenig in der Landwirtschaft hängen”, unterstreicht Rauch, “die Landwirtschaft kann sich die Digitalisierung nur schwer leisten. Das müsste auch mehr subventioniert werden“, fordert Rauch. Ohne eine stärkere Subventionierung der kleinen Betriebe würden diese wahrscheinlich von den großen industriellen Landwirtschaftsbetrieben verdrängt werden.

Wohin die Entwicklung der Landwirtschaft gehen wird, muss die Zeit zeigen. Klar ist, dass die Digitalisierung weiter fortschreiten wird und das Digitale Zwillinge in der Zukunft wohl eine wichtige Rolle in der Landwirtschaft einnehmen werden. Egal ob an Land, unter Wasser oder im All.