Wie meistern Sie die Umweltherausforderungen der Indoor-Landwirtschaft?

May 11, 2024

Salat, der an der Purdue University als Babygrün angebaut wird, wird 15 Tage nach der Aussaat der Samen geerntet. Die Samen werden dicht beieinander gesät, um den Photonenverlust zwischen den Pflanzen zu minimieren.Foto mit freundlicher Genehmigung von Cary Mitchell, Purdue Univ.

Auch wenn einige denken, dass die Umweltherausforderungen, mit denen Indoor-Farmzüchter konfrontiert sind, in einer geschlossenen Umgebung relativ gering und leicht zu bewältigen sein sollten, liegen sie falsch.

„Zu den Herausforderungen und Engpässen, mit denen Indoor-Farmen konfrontiert sind, gehören ein unzureichender Luftstrom, der zu einer ungleichmäßigen Umgebung führt, verschwenderische Beleuchtung und die Art und Weise, wie Licht in das Blätterdach gelangt“, sagte Murat Kacira, Direktor des Controlled Environment Agriculture Center (CEAC) bei der University of Arizona und Mitglied des Forschungsteams des OptimIA-Projekts. „Zusätzlich zu diesen Herausforderungen gibt es Herausforderungen im Zusammenhang mit der Luftfeuchtigkeit und dem Wassermanagement in der Luft sowie der Ermittlung der besten Lichtqualität, Lichtintensität und Lichtrezepte für Indoor-Agrarkulturen.“

Vor dem Start des OptimIA-Projekts im Jahr 2019 wurden Umfragen unter Interessenvertretern der Indoor-Farm-Branche, einschließlich Landwirten, durchgeführt, um zu ermitteln, in welchen Bereichen der größte Forschungsbedarf besteht.

„Eine Indoor-Farm ist eine geschlossene Box“, sagte Kacira. „Sie wissen, was hineingeht und was herauskommt, aber es erfordert die Ressourcen, um diese Umgebung zu kontrollieren, einschließlich der Kontrolle von Licht, Temperatur, Feuchtigkeit, Kohlendioxid und allen anderen Prozessen, um die Ernte so anzubauen, dass sie den Produktionserwartungen entspricht.

„Eine Indoor-Farm bietet eine strengere Kontrolle als in einer Gewächshausumgebung. Die Außendynamik, beispielsweise die Lichtintensität, die Temperatur und die Wasserrückführung aus der Luft, hat nicht den gleichen Effekt. Die Wassergewinnung aus der Luft ist in einem Indoor-Farmsystem einfacher als in einem Gewächshaussystem. Bei einer Indoor-Farm ist die Kontrollierbarkeit größer als bei einem Gewächshaus, natürlich mit einem zusätzlichen Aufwand für den Ressourcenverbrauch, um eine solche Kontrolle zu erreichen.“

Kacira und sein Team aus den Doktoranden KC Shasteen und Christopher Kaufmann von der University of Arizona tragen maßgeblich zu den Umweltkontrollaspekten des OptimIA-Projekts bei.

„Wir denken auch über Licht nach, weil Licht die Energie zu den Pflanzen bringt und diese dann zur Kühlung und für eine ordnungsgemäße Transpiration und Nährstoffbereitstellung aus den Wurzeln freigesetzt werden muss“, sagte Kacira.

Kaciras Team führte Computersimulationen durch, um den Luftstrom zu verbessern und die Co-Optimierung von Umgebungsvariablen für Energieeinsparungen zu ermitteln. Aufbauend auf den Ergebnissen der Computersimulationsforschung führt Kaufmann Experimente in der vertikalen Farmanlage von CEAC durch, um vertikale und horizontale Luftstromsystemdesigns zu bewerten, um Spitzenbrand bei Salatpflanzen zu mildern. Shasteen und Kacira arbeiteten an der Modellierung mit der Co-Optimierung von Variablen, darunter Licht, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidgehalt.

„Wir konnten die Ertragsergebnisse quantifizieren und den Energieverbrauch für jede dieser Umweltkontrollstrategien bestimmen“, sagte Kacira. „Diese Modelle sowie die Ergebnisse und Informationen, die wir aus dieser Forschung generiert haben, werden von unseren OptimIA-Kollegen im Wirtschaftsteam verwendet. Sie entwickeln Wirtschaftsmodelle für eine Vielzahl von Rentabilitäts- und Wirtschaftsszenarien für Indoor-Farm-Anwendungen und Indoor-Farm-Systeme.

„Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf die Gestaltung und Optimierung von Luftstromsystemen, das Feuchtigkeitsmanagement und die Co-Optimierung von Umgebungsvariablen, hauptsächlich zur Energieeinsparung. Zu unserer Zusammenarbeit gehörte auch Nadia Sabeh von Dr. Greenhouse im Bereich Feuchtigkeitsmanagement im Rahmen der Umweltkontrolle.“

Einige der Forschungsergebnisse des Teams der University of Arizona in Bezug auf die Gestaltung, Konzepte und Empfehlungen von Luftströmungssystemen wurden in tatsächliche Wachstumsumgebungen im kommerziellen Betrieb integriert.

„Durch unsere Kooperationen sind wir in der Lage, einige unserer Forschungsergebnisse in kommerzielle Standortversuche einfließen zu lassen“, sagte Kacira. „Im Rahmen des OptimIA-Projekts haben wir über 20 Branchenpartner. Einige der Mitarbeiter zeigten Interesse daran, einige der Luftstromsystemdesigns, die Umgebungskontrolle und die Co-Optimierung dieser Variablen in ihren Betrieb zu implementieren. Wir werden vor Ende des OptimIA-Projekts auch Gelegenheit haben, sie direkt umzusetzen und einige der Forschungsergebnisse in kommerziellen Umgebungen zu evaluieren.“

Die alleinige Beleuchtung ist der größte Energiekostenfaktor bei Indoor-Farmen. Die Energiekosten für Indoor-Farmen machen mindestens 30 Prozent der gesamten Betriebskosten aus. Weitere Energiekosten entstehen durch den Betrieb von Ventilatoren, Entfeuchtung und Belüftung.

„Der Schwerpunkt der OptimIA-Forschung an der Purdue University liegt darauf, die Energiekosten im Zusammenhang mit dem Anbau von Indoor-Pflanzen zu ermitteln und zu senken“, sagte Cary Mitchell, Professor für Gartenbau an der Purdue University. „Wenn ein Indoor-Farmzüchter eine alleinige Beleuchtungsquelle verwendet, ist dies mit den höchsten Energiekosten verbunden. Diese Indoor-Farmen geben Hunderttausende Dollar pro Jahr für Strom aus, hauptsächlich für die Beleuchtung.“

Mitchell interessiert sich seit langem für Energie als einen der gewinnbestimmenden und gewinnbegrenzenden Parameter im Indoor-Farming.

„Alle OptimIA-Forscher sind daran interessiert, Ressourcen für den Anbau von Blattgemüse und Küchenkräutern in Innenräumen zu sparen“, sagte er. „Das ist der rote Faden zwischen uns allen. Purdue-Forscher konzentrieren sich auf Energieeinsparungen. „

Mitchell und die Doktorandin Fatemeh Sheibani arbeiten an LED-Beleuchtung in der Nähe von Baumkronen. Diese Beleuchtung ähnelt der Intra-Baldachin-Beleuchtung, die bei einigen Gewächshauskulturen verwendet wird, darunter Hochseiltomaten und frisch geschnittene Rosen.

„Eine unserer Erkenntnisse ist, dass die Produktivität der Pflanzen steigt, wenn der Abstand zwischen den LED-Leuchten und der darunter liegenden Pflanze verringert wird, ohne dass die LEDs gedimmt werden“, sagte er.

LEDs sind punktförmige Lichtquellen, bei denen ein Großteil des Lichts sternförmig in alle Richtungen strahlt.

„Wenn LED-Leuchten in einer Indoor-Farm über Kopf montiert werden, fällt ein Großteil des Lichts schräg zur Seite“, sagte Mitchell. „Nicht das gesamte Licht fällt auf die Pflanzen. Es wird eine beträchtliche Menge an Photonen verschwendet, die außerhalb des Zuschneidebereichs fallen. Es gibt nicht viel, was man dagegen tun kann, außer die Lichter näher an die Pflanzen zu bringen.“

Da LEDs im Gegensatz zu Hochdruckentladungslampen (HID) kühl sind, kann der Abstand zwischen LED-Leuchten und den Pflanzen verringert werden, ohne dass die Pflanzen verbrennen.

„Der Trennungsabstand kann verringert werden, sodass die meisten der schräg emittierten Photonen tatsächlich von der Ernteoberfläche eingefangen werden, anstatt über die Kante der Bank zu gelangen“, sagte Mitchell. „Unabhängig davon, ob Landwirte LED-Leuchten entlang oder quer über die Bank anbringen, wollen sie keine Steigungen beim Pflanzenwachstum. Züchter wünschen sich an den Rändern genauso viel Wachstum wie in der Mitte der Bank. Dies kann dazu führen, dass Züchter Lichter nicht nur in der Mitte der Bank, sondern auch an den Rändern anbringen. Je weiter an den Rändern die Leuchten angebracht sind, desto mehr Photonen gehen verloren.“

Sheibani untersucht zwei Szenarien der Beleuchtung in unmittelbarer Nähe des Blätterdachs. Ein Szenario besteht darin, dass das Licht gedimmt wird, wenn die LED-Leuchten näher an den Pflanzen platziert werden. Obwohl das Licht gedimmt ist, herrscht auf der Pflanzenoberfläche die gleiche Lichtintensität, da mehr seitlich emittierte Photonen eingefangen werden, aber weniger Strom verbraucht wird. In einem zweiten Szenario platzierte Sheibani die LED-Leuchten näher an den Pflanzen, dimmte sie jedoch nicht.

„In diesem zweiten Szenario wurde der Photonenverlust durch die Platzierung der Leuchten näher an den Pflanzen noch einmal reduziert“, sagte Mitchell. „In diesem Fall stiegen die Pflanzenerträge bei gleichem Strom- und Energieverbrauch, weil die effektive Lichtintensität zunahm. Die Pflanzen wuchsen schneller und größer. Jeder engere Abstand führt zu einer höheren Energienutzungseffizienz.“

In vertikalen Indoor-Farmen beträgt der traditionelle Abstand zwischen der Unterseite der LED-Leuchten und der Oberseite der Pflanze 40–50 Zentimeter.

„Wir haben Trennungsabstände zwischen den Einbauten und Pflanzen von 45, 35, 25 und 15 Zentimetern getestet“, sagte Mitchell. „Wir haben herausgefunden, dass die Energienutzungseffizienz linear zunimmt, je näher die Leuchten an den Pflanzen platziert werden. Dies sollte in den meisten Indoor-Farmen relativ einfach umzusetzen sein, erfordert jedoch möglicherweise einige Designänderungen seitens der Gerätelieferanten.“

Mitchell erklärte, der Grund für die Untersuchung der beiden Szenarien sei, dass einige Indoor-Farmen mit nicht dimmbaren LED-Leuchten ausgestattet seien.

„Bei nicht dimmbaren LED-Leuchten ist der Energiebedarf der Leuchten gleich, wenn die Lichter näher an die Pflanzen herangebracht werden, aber der Ertrag steigt, was bedeutet, dass die Pflanzen schneller wachsen“, sagte er. „Das bedeutet, dass die Pflanzen die gleiche Biomasse erreichen und früher geerntet werden können oder der Erntetermin gleich bleiben kann und mehr Biomasse produziert werden kann.“ Dadurch haben Züchter die Möglichkeit, die Beleuchtung in der Nähe des Blätterdachs so zu nutzen, wie es für ihre Produktionsanforderungen am besten geeignet ist.“

Mitchell weist darauf hin, dass nicht jede im Handel erhältliche LED-Leuchte für Beleuchtungsanwendungen in der Nähe von Vordächern geeignet ist.

„Es gibt einige LED-Leuchten, bei denen die Farbverteilung nicht gleichmäßig ist und bei denen es Ansammlungen von blauem Licht gibt“, sagte er. „Bei einem Abstand von 45 Zentimetern zwischen den Lichtern und den Pflanzen ist das kein großes Problem, denn durch die Strahlausbreitung bleibt genügend Abstand, damit die anderen Farben das blaue Licht überlappen können. Wenn die Lichter jedoch weniger als 25 bis 15 Zentimeter von der Pflanzenoberfläche entfernt platziert werden, entstehen Ansammlungen blauen Lichts. Blaues Licht hemmt die Blattausdehnung und fördert die Blattfärbung. Das Ergebnis können sehr seltsam aussehende Pflanzenbestände sein, wenn die Beleuchtung in der Nähe des Blätterdachs mit LEDs mit ungleichmäßiger Lichtverteilung erfolgt. Zum Glück für die Landwirte sind die meisten kommerziellen LED-Arrays, die heute für die Beleuchtung im Gartenbau erhältlich sind, recht einheitlich.“

Für mehr: Murat Kacira, University of Arizona, Controlled Environment Agriculture Center; [email protected]; http://ceac.arizona.edu/. Cary Mitchell, Purdue University, Gartenbau und Landschaftsarchitektur; [email protected]; https://ag.purdue.edu/department/hla/directory.html#/cmitchel.

Dieser Artikel ist Eigentum von Urban Ag News und wurde von David Kuack, einem freiberuflichen technischen Redakteur in Fort Worth, Texas, verfasst.