Vertical Farming

Diese Herausforderungen können nicht nur durch die ausschließliche Erweiterung des bereits genutzten Agrarlandes gelöst werden. Zukünftiges Ziel muss es deshalb sein, den Nahrungsoutput pro Anbaufläche zu erhöhen und Pflanzen unabhängig von Naturphänomenen in Nähe zum Konsumenten anzubauen.

Eine der Ideen, die momentan in wissenschaftlichen Kreisen diskutiert wird, ist das Konzept des Vertical Farmings. Hier sollen Nahrungsmittel direkt in der Stadt angebaut werden. Der Anbau von Nutzpflanzen erfolgt dabei auf vertikal gestapelten Ebenen in (meist hohen) Gebäuden, den Vertikalen Farmen (Bild 1). Entkoppelt von ihrer natürlichen Umgebung werden die Nutzpflanzen unter exakt kontrollierten Umgebungsbedingungen mit Hilfe von sogenannten Controlled Environment Agriculture (CEA) Technologien angebaut.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern am Institut für Raumfahrtsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen beschäftigt sich seit dem Jahr 2011 mit dieser Thematik. Die Forschungsgruppe namens EDEN (Evolution & Design of Environmentally-closed Nutrition-Sources) entwickelt normalerweise bioregenerative Lebenserhaltungssysteme für die bemannte Raumfahrt. Die Forscher konzipieren dabei spezielle Gewächshausmodule für planetare Habitate für Mond und Mars. Diese Gewächshausmodule produzieren dann die Nahrung für die Astronauten während zukünftiger Langzeitmissionen auf dem anderen Himmelsgestirn.

Die CEA-Technologien, die in der EDEN-Gruppe entwickelt werden, können aber auch auf der Erde Anwendung finden und zwar zur Nahrungsmittelproduktion in Mega-Cities. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen einer Designstudie am DLR eine erste technische- sowie ökonomische Bewertung einer Vertikalen Farm durchgeführt. In der Designstudie wurden alle wichtigen CEA-Technologien in die Vertikale Farm implementiert.

Licht

Ein erstes Beispiel für CEA-Technologien sind die Hochleistungs-LED-Systeme. Die Verwendung von Hochleistungs-LEDs ermöglicht es, die Beleuchtungsverhältnisse für die Kulturpflanzen in der Vertikalen Farm optimal zu steuern. Diese LEDs besitzen ein auf die Photosynthese und die einzelnen Wachstumsphasen der Pflanze abgestimmtes Lichtspektrum (z.B. rot, blau und ultraviolett). So ist es möglich, die Pflanzenqualität bis zur Ernte (Geschmack) zu verbessern sowie die Anreicherung mit positiven Inhaltsstoffen wie Vitaminen zu erhöhen. Hinzu kommen die durch die LEDs möglichen längeren Beleuchtungsperioden der Pflanzen, die in schnellerem Pflanzenwachstum und somit kürzeren Wachstumszyklen resultieren. Somit kann schneller und folglich mehr Ertrag pro Jahr generiert werden.

Durch die geringe Größe der LEDs und eine niedrige Wärmeentwicklung in Richtung der Pflanzen, können die LED-Systeme auch innerhalb der Pflanzenstruktur platziert werden, um Blätter in unteren Bereichen der Pflanze mit Licht zu versorgen. Diese Technik wird Intra Canopy Lighting genannt und erhöht den Ertrag noch weiter.

Erdlose Anzucht

Eine weitere CEA-Technologie die Verwendung findet, ist die Aeroponik. Das Grundprinzip dieser Anbaumethode ist es, die Pflanzen ohne ein Wachstumsmedium wie zum Beispiel Erde zu kultivieren. Dabei hängen die Wurzeln frei in der Luft und werden in regelmäßigen Abständen mit einer Wasser-Nährstofflösung besprüht. Auf diese Art erhöht sich der Sauerstoffgehalt im Wurzelsystem, welcher sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirkt (-> verbesserte Nährstoffaufnahme) und höheren Ernteertrag zur Folge hat.

Neben niedrigem Wasserverbrauch ergeben sich aber auch weitere Vorteile für dieses Verfahren. Durch den Verzicht auf ein Wachstumsmedium kommt es zu einem geringeren Kontakt der Pflanzen untereinander. Dies hat zur Folge, dass die Möglichkeit zur Übertragung von Krankheiten reduziert wird und so die Pflanzdichte erhöht werden kann.

Atmosphäre

Die Bereitstellung einer optimalen Luftzusammensetzung für die Anzucht der Pflanzen gehört ebenfalls zu der Gruppe von CEA-Technologien. Hierbei wird der Pflanzraum aktiv mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) begast. Durch den Prozess der Photosynthese wird innerhalb der Pflanze Wasser zusammen mit Nährstoffen und CO₂ mit der Hilfe von Licht in Sauerstoff (O₂), Wasser und Biomasse umgewandelt. Studien haben gezeigt, dass das Pflanzenwachstum durch ein erhöhtes CO₂-Level um bis zu 30–40 % beschleunigt und der Ertrag um bis zu 40 % erhöht werden kann.

Die Vertikale Farm erlaubt es mit Hilfe dieser CEA-Technologien mehr und schneller Nahrung auf einer bestimmten Grundfläche zu produzieren als mit herkömmlichen Verfahren (wie zum Beispiel auf dem offenen Feld oder in herkömmlichen Gewächshäusern). Eine Vertikale Farm zeichnet sich dabei durch folgende Vorteile aus:

• Ganzjährige Ernte (selbst während Winter- und trockener Sommerperioden)
• Weltweite Anwendbarkeit – sogar in Gebieten, in denen traditionelle Landwirtschaft nicht oder nur partiell möglich ist
• Schnellere Produktion von Kulturpflanzen bei gleichzeitig höheren Erträgen durch Nutzung von CEA-Technologien
• Keine Ernteausfälle aufgrund von Wettererscheinungen wie Hagel oder heftigen Stürmen
• Senkung von Transportzeiten und somit Kosten durch den Anbau von Pflanzen direkt beim Konsumenten
• Starke Reduzierung des Gebrauchs von Pestiziden/Insektiziden (Schonung des Bodens und somit des Grundwassers)
• Konsument von CO₂ bei gleichzeitiger Abgabe von O₂

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