Die Herausforderung: Effiziente Landwirtschaft für wachsende Bevölkerung

Eine wachsende Bevölkerung erfordert eine immer effizienter arbeitende Landwirtschaft, die die Nahrungsversorgung durch hohe Erträge auf engem Raum ermöglicht. Gleichzeitig steigen die Herausforderungen für Beschäftigte in der Landwirtschaft durch zunehmende Anforderungen beim Umweltschutz und im Umgang mit klimatischen Veränderungen.  Für eine erfolgreiche Landwirtschaft müssen Prozesse deshalb stärker automatisiert, präzisiert und vereinfacht werden.

Die Lösung: Kosteneffiziente Sensorsysteme mit gedruckten Komponenten

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Elektronische Nanosysteme ENAS haben hierfür kosteneffizient hergestellte und umweltfreundliche Sensorsysteme entwickelt, die die smarte Überwachung von Anbauflächen unterstützen. Die Basis der Arbeit bilden neuartige Sensoren unter Verwendung von Drucktechnologien und umweltfreundlichen oder inerten Materialien.

Im Herbst 2019 wurden die ersten Entwicklungsmuster vorgestellt. Die Sensoren bestehen aus einem Elektronikmodul mit einem Single-Chip Funksystem und Sensoren für die Luft- und Bodentemperatur, einem Irrigationssensor zur Überwachung der Bewässerung sowie einer gedruckten Antenne und einer gedruckten Batterie, die in einem kunststoffbeschichteten Zellulosesubstrat eingeschlossen sind.

Für den Einsatz werden die Sensoren unter der Erde verankert. Der Irrigationssensor wird hydraulisch an die Bodenmatrix angekoppelt. Ein Teil der Sensoren ragt dabei über die Bodenoberfläche hinaus und beherbergt das Elektronikmodul und die Antenne. Das aktuell eingesetzte Funksystem gewährleistet eine direkte Kommunikation der Daten zu einem auf dem Feld installierten Gateway. Der Aufbau des Elektronikmoduls erfolgt mit einem Schaltungsträger aus kompostierbarem, zellulosebasierten Material, der, wie die Antenne auch, durch Drucktechnologien hergestellt ist. Als Energiequelle kommt eine Schaltung aus gedruckten Primärzellen zum Einsatz. Diese bestehen aus übereinander gedrucktem Kohlenstoff, Mangandioxid, Zink und einem Elektrolyten.

Zur Messung des Irrigationszustandes und der Steuerung von Düngung und Bewässerung wird zudem ein neuartiger Sensor verwendet, der die Saugspannung ermittelt. Sie ist ein Maß für den Druck, den Pflanzenwurzeln überwinden müssen, um Wasser aus der Bodenstruktur aufnehmen zu können. Durch den Einsatz von Drucktechnologien werden auch hier die verwendeten Funktionsmaterialien in Mikrometer dünnen Schichten ressourcenschonend und gleichzeitig kosteneffizient hergestellt.

Ausblick: Feldtests und kommerzielle Einsatzreife

Zukünftig sollen weitere Sensoren zur Stickstoff-, Licht- und Blattfeuchtemessung integriert werden. Erste Muster des Blattfeuchtesensors wurden bereits getestet. Im Anschluss an Feldtests soll die Technologie zur kommerziellen Einsatzreife weiterentwickelt werden.