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Eine Million Bananenschalen, 62 Tonnen Kaffeesatz, 40 Tonnen Grünschnitt und 2.200 Tonnen Lebensmittelabfälle fallen Tag für Tag allein in Berlin an. Darin steckt noch viel Potenzial für eine Verwertung: So können beispielweise aus Kaffeesatz Tische, Kaffeetassen oder auch hochwertige Outdoor-Textilien hergestellt werden.

Die urbane Bioökonomie verfolgt die Vision einer Stadt, in der biologische Roh- und Reststoffe intelligent geleitet und hochwertig genutzt werden. Hier werden die Nahrungsmittel etwa mit innovativen Urban-Farming-Methoden selbst produziert und dabei effiziente Kreislaufsysteme genutzt. Außerdem wird nichts vergeudet, sondern mit den Reststoffen sogar noch Geld verdient. Eine Win-Win-Situation für Umwelt und Wirtschaft.

Makeathon als kreatives Innovationslabor

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) lobt im aktuellen Wissenschaftsjahr den 9. Deutschen Nachhaltigkeitspreis Forschung zum Thema „Urbane Bioökonomie“ aus. Diesmal wird der Preis im Rahmen eines Ideenwettbewerbs ermittelt: Kluge Köpfe aus allen wissenschaftlichen Fachrichtungen sind aufgerufen, sich ab sofort bis zum 30. April für die Teilnahme an einem Makeathon zu bewerben: Infrage kommen Studierende, Forschende, Promovierende, Mitarbeitende aus Unternehmen und kommunalen Einrichtungen, kreative Praktiker oder Querdenker. Jeder, der sich bewirbt, sollte seine Motivation, Kompetenzen und ein konkretes Problem, das er adressieren möchte, kurz und kompakt aufschreiben.

Folgende Aspekte sollen im Fokus des Makeathons stehen:

• Die Produktion, Nutzung und Verwertung von biologischen Reststoffen in der Stadt, wie z.B. Grünschnitt oder Lebensmittelreste
• Innovativer Umgang mit allem, was bisher als biologischer Rohstoff in die Stadt hineinkommt oder als Abfall die Stadt verlässt

Ob zu Hause, unterwegs oder im Büro: Kaffee ist für viele ein Genussmittel und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Was nach dem Aufbrühen übrig bleibt, landet jedoch für gewöhnlich im Abfalleinmer. Unmengen Kaffeesatz werden so täglich entsorgt. Ansätze den Reststoff zu nutzen, gibt es durchaus. Das Berliner Start-up Kafform verwendet beispielsweise den Abfall zur Herstellung von Kaffee- und Espressotassen. Im Projekt „InKa – Intermediate aus industriellem Kaffeesatz“ wollen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT mit Partnern aus der Wirtschaft nun weitere Verwertungsoptionen prüfen. Das Vorhaben wird im Rahmen der Fördermaßname „Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den kommenden drei Jahren gefördert.

Neue Produkte mit besseren Eigenschaften

Im Fokus des Projektes steht die Entwicklung neuer Zwischenprodukte als Rohstoffe für biobasierte Artikel. Aber nicht nur das. Die aus dem Kaffeesatz gewonnenen Komponenten sollen den Forschern zufolge zu „bisher nicht erreichbaren Eigenschaftsverbesserungen verschiedener Endprodukte führen, oder sogar als alternative Rohstoffquelle bei ernsthaften Rohstoffengpässen fungieren“.

Hoch innovatives Verfahren

Dafür will das Team den Kaffeesatz in wichtige Komponenten auftrennen, diese in Gruppen zusammenfassen und aufreinigen und so eine hochwertige Nutzung der daraus erzeugten Zwischenprodukte ermöglichen. „Das angestrebte Verfahren als Ganzes ist hoch innovativ und beinhaltet wichtige Beiträge zu aktuellen internationalen Forschungsfeldern wie In-situ-Umesterung im Kaffeesatz, chemische Modifizierung der isolierten Intermediate oder Entwicklung migrationsarmer Schlagzähigkeitsmodifikatoren“, sagt Inna Bretz, Projektleiterin beim Fraunhofer UMSICHT. „Dabei entwickeln wir den technischen Prozess vom Labor bis zum industriellen Scale-up.“

Kaffeeöl zur Papier-und Kartonherstellung

Kaffeeöl ist beispielsweise eine Komponente, die mittels Umesterung zu solch einem wertvollen Zwischenprodukt umgewandelt und zur Herstellung von Papier und Kartons genutzt werden könnte. „Der entölte Kaffee kann für spezielle Papier- und Kartonsorten eine gute Rohstoffergänzung sein. Er enthält Cellulose – ähnlich wie der Faserstoff, aus dem Papier entsteht. Der Kaffeesatz könnte aber auch als Prozesshilfsmittel interessant sein. Wir sind sehr neugierig, welche Potenziale sich mit diesem neuen Werkstoff heben lassen“, sagt Geschäftsführer Jürgen Belle vom Projektpartner BellePapier GmbH.

Transparente Stoffstromanalyse geplant

Im Rahmen des InKa-Projektes sollen aus dem Kaffeesatz aber auch andere organische Verbindungen wie Glycerin, Fettsäuren, Polysaccharide oder Aromastoffe gewonnen und für eine Verwertung bereitgestellt werden. Die Forscher hoffen, dass die Nutzung von Kaffeesatz als Rohstoffquelle die Rohstoffversorgung beeinflusst. Ob das tatsächlich der Fall sein kann, will das Team anhand einer Stoffstromanalyse am Ende des Projektes offenlegen.

Auf der Hannover Messe im Juli wird das Team das InKa-Projekt im „Schaufenster Bioökonomie" vorstellen.

bb

Ob bei der Entwicklung von Medikamenten, Materialien oder Verfahren: Pflanzen- und Tierwelt haben Wissenschaftler immer wieder zu Innovationen inspiriert. So nahmen sich Forscher beispielsweise den Schwimmfarn zum Vorbild, um mittels einer neuen Beschichtung den Reibungswiderstand bei Schiffen zu senken. Auch der Gecko als Klettertalent oder das filigrane, aber stabile Netz der Spinne standen bei Entwicklungen bereits Pate. Nun sind es die Füße der Heuschrecke, die ein interdisziplinäres Team der Christian-Albrechts-Universität (CAU) Kiel zu einem künstlichen Reibungssystem anregt.

Heuschreckenfüße als Vorbild für Reibungssystem

Der Clou: Das System ist so flexibel, dass es sich dem Untergrund anpasst, wie die Wissenschaftler im Fachjournal "Advanced Materials Interfaces" berichten. Das Team um Stanislav Gorb orientierte sich dabei an den kissenartigen Zusätzen an den Füßen der Heuschrecke. Sie sorgen für eine gute Kontaktfläche und eine stabile Kraftübertragung.

Beides verschafft dem Insekt den festen Halt. Es war jedoch nicht ganz unproblematisch, dieses Prinzip auf technische Anwendungen zu übertragen. „Um auf verschiedenen Oberflächen zu haften, müsste man – eigentlich ein Widerspruch – zwischen dem Verhalten von weichen und festen Materialien wechseln“, erklärt Gorb. Dieses Problem haben die Kieler Wissenschaftler nun gelöst.

Flexible Haftung durch Kaffeesatz in Silikonkissen

In früheren Forschungen konnte Gorb bereits zeigen, dass die Kissen an den Insektenfüßen mit einem gummiartigen Film umhüllt sind, der einen guten Kontakt zum Haftuntergrund bietet. Im Inneren sorgen dagegen besonders stabile Fasern für eine große Kraftübertragung. Einen ähnlichen Effekt konnte das Team nun mit Kaffeesatz erreichen. Diese getrocknete und körnige Masse wurde mit einer dehnbaren Silikonhülle ummantelt. Dahinter verbirgt sich das Prinzip der „Jamming Transition“.

„Man kann sich das vorstellen wie in einer Packung Kaffee: Das Kaffeepulver wird durch Druck fest zusammengepresst und bildet so eine dichte Masse, fest wie ein Stein. Wird die Packung geöffnet, fällt das Pulver locker und verhält sich somit ganz anders, fast wie eine Flüssigkeit,“ erläutert Physiker und Projektmitarbeiter Halvor Tramsen. Die Größe der Kaffeesatzpartikel und die raue Form sorgten den Forschern zufolge dafür, dass sich die Teilchen sehr leicht miteinander verhaken und damit der Wechsel zwischen weichem und festem Material funktioniert.

Kaffeesatz für industrielle Anwendung denkbar

Dieses einfache System hoffen die Forscher auch in die Praxis überführen zu können. Grundsätzlich sei es durchaus denkbar, so Gorb, getrockneten Kaffeesatz im Sinne des Recyclings auch für industrielle Anwendungen zu nutzen. Denn der Reststoff sei nicht nur leicht verfügbar, sondern auch frei von Schadstoffen und günstig.

bb

In the development of drugs, materials or processes, plant and animal life have time and again inspired scientists to innovate. For example, researchers used the swimming fern as a model to reduce the frictional resistance of ships by means of a new coating, and many have tried to duplicate the delicate but stable web of the spider. Now it is the grasshopper's feet that have inspired an interdisciplinary team at the Christian-Albrechts-Universität (CAU) Kiel to develop an adaptive frictional system.

Locust feet as a model for frictional system

The key to the system is that it is so flexible that it adapts to the surface, as the scientists report in the journal "Advanced Materials Interfaces". Stanislav Gorb's team modelled their approach on the small, cushion-like appendages on the feet of the grasshopper. They allow a good frictional and adhesive contact with the surface, while also transmitting a great deal of force.

Both provide the insect with a firm grip. However, it was not entirely unproblematic to transfer this principle to technical applications. ""In order to stick to different surfaces, we must switch between the behaviour of soft and hard materials, which is actually a contradiction in terms," explains Gorb. The Kiel scientists have now solved this problem.

Flexible adhesion with coffee grounds

In earlier research, Gorb was already able to show that the cushions on the insect feet are covered with a rubber-like film that provides good contact with the adhesive surface. On the inside, on the other hand, particularly stable fibres ensure a high power transmission. The team has now achieved a similar effect with coffee grounds. This dried and granular mass was coated with a stretchable silicone cover. Behind this is the principle of the "jamming transition".

"You know that from vacuum-packed coffee: the coffee powder is compressed and forms a dense mass, as hard as a rock. When the packet is opened for the first time, the powder becomes loose, and thus behaves quite differently, like a fluid," explains physicist and project collaborator Halvor Tramsen. When the package is opened, the powder falls loosely and thus behaves in a completely different way, almost like a liquid," explains physicist and project collaborator Halvor Tramsen. According to the researchers, the size of the coffee grounds particles and their rough shape ensure that the particles get very easily entangled with each other, making the change between soft and solid material work.

Suitable for industrial application

The researchers hope to be able to transfer this simple system to practical applications. According to Gorb, it is also feasible to use dried coffee grounds for industrial applications - with recycling benefits. The coffee residue is not only easily available, but also free of pollutants and inexpensive.

bb/um

Kohlendioxid aus Industrieabgasen als Wertstoff in der chemischen Industrie nutzen – das ist eines der großen Forschungsthemen der Branche. Mit dem Verbundprojekt „CO₂SimO – Photoelektrochemische CO₂-Reduktion bei simultaner oxidativer Wertstoffgewinnung“ kommt eine weitere Initiative hinzu. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt darauf, einen Prozess zu entwickeln, um aus Wasser und Kohlendioxid Methan und Wasserstoffperoxid herzustellen.

Energieträger und Synthesegrundstoffe

Methan ist ein wichtiger Energieträger, der als Heizmittel oder Treibstoff genutzt wird. Das Gas ist aber auch ein bedeutender Rohstoff für chemische Synthesen, unter anderem bei der Herstellung von Ammoniak und Methanol. Wasserstoffperoxid hat vor allem zwei Verwendungszwecke: Es wird als Bleich- und Desinfektionsmittel genutzt. Möglicherweise könnte es sich aber auch als Energieträger eignen, mit dem Brennstoffzellen betrieben werden – das soll das Projekt CO₂SimO ebenfalls eruieren.

Nachhaltigkeit des Konzeptes im Blick

Die Hoffnung ist, einen günstigen Prozess zu entwickeln, denn bislang ist die Herstellung von Wasserstoffperoxid kostenintensiv. Im neuen Verbundprojekt soll deshalb eine photoelektrochemische Zelle für die Reaktion geschaffen werden, die neben den Rohstoffen Wasser und CO₂ Sonnenlicht als Energiequelle nutzt. Neben dieser Zelle wollen die Forscher auch die für die Reaktion notwendigen Katalysatoren entwickeln. Im Blick behalten wollen die Partner dabei, ob ihre Lösung wirklich sinnvoll ist, wie der am Projekt beteiligte Professor für Physikalische Chemie an der Universität Bayreuth, Roland Marschall, erläutert: „Eine Besonderheit unseres Projekts besteht darin, dass eine wissenschaftliche Begleitstudie die Nachhaltigkeit des zugrundeliegenden Konzepts durch eine Umwelt- und Kostenanalyse ständig überprüfen wird.“

BMBF fördert Forschung zu CO₂-Nutzung

Das Verbundprojekt wird von der H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH in Goslar koordiniert. Weitere Partner sind das DECHEMA-Forschungsinstitut in Frankfurt am Main, die Leibniz-Universität Hannover, die neoxid GmbH in Neuss sowie das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse am Karlsruher Institut für Technologie. Das Vorhaben wird unter der BMBF-Förderrichtlinie „CO₂ als nachhaltige Kohlenstoffquelle – Wege zur industriellen Nutzung (CO₂-WIN)“ über drei Jahre mit 1,5 Mio. Euro gefördert.

bl

Jede Zelle einer Pflanze besitzt den gleichen genetische Bauplan – doch einige Zelltypen machen davon unterschiedlich Gebrauch. Dadurch kann mit der gleichen DNA mal eine Wurzel und mal eine Blüte entstehen. Entscheidend ist, welche Gene in welchem Umfang aktiviert werden. Die Produkte dieser Gene sind meist Proteine. Diese Eiweißmoleküle bilden die Strukturen der Zellen und agieren in Form von Enzymen als Katalysatoren der biochemischen Reaktionen. Ein internationales Forscherteam unter Federführung der Technischen Universität München (TUM) hat nun für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die Ackerschmalwand, für verschiedenen Gewebetypen einen Katalog alle hier vorhandenen Proteine ermittelt.

Neue Einblicke in die Biologie von Pflanzen

„Für das Proteinmuster ist nicht nur bedeutend, welche Proteine in einem Gewebe vorkommen, sondern vor allem in welchen Mengen“, erklärt Bernhard Küster, Professor für Proteomik und Bioanalytik an der TUM. Als Beispiel nennt er Proteine der Photosynthese-Maschinerie, die vor allem in Blättern vorkommen, aber – wenngleich in tausendfach geringerer Menge – auch in Blüten und Samen. „Erstmalig haben wir das Proteom, also alle Gewebeproteine der Modellpflanze Arabidopsis, umfassend kartiert“, resümiert Küster die im Fachjournal „Nature“ veröffentlichte Studie. „Das lässt neue Einblicke in die komplexe Biologie von Pflanzen zu.“

18.000 der 27.000 Gene erzeugen Proteine

Zusammengefasst sind die Ergebnisse in der Online-Datenbank ProteomicsDB. Darin findet sich unter anderem die Information, dass von den 27.000 Genen der Ackerschmalwand etwa 18.000 auch in Proteine umgesetzt werden. Außerdem enthalten die Daten die Information, in welchen Geweben welche Proteine vorkommen und in welchen Mengen. Möglich wurden die Analysen durch eine Kombination aus biochemischen und analytischen Hochdurchsatzmethoden, darunter die Flüssigchromatographie-gekoppelte Tandem-Massenspektrometrie.

Nächster Fokus auf Anpassung des Proteoms

Die Ackerschmalwand ist seit vielen Jahren Modellpflanze der Pflanzenforschung, weil sich zahlreiche Erkenntnisse über sie auf Nutzpflanzen übertragen lassen. „Der Atlas soll daher auch die Forschung an anderen Pflanzen befeuern“, zeigt sich Küster zuversichtlich. Die beteiligten Forscher selbst wollen nun untersuchen, wie sich das Proteom verändert, wenn die Pflanzen auf Umweltfaktoren wie Schädlingsbefall oder Folgen des Klimawandels reagieren.

bl

Rollatoren haben in der Gesellschaft oftmals den Ruf, ein Zeichen von Alter und Gebrechlichkeit zu sein. Die fahrbare Gehhilfe ist allerdings aus dem Alltag vieler Menschen nicht mehr wegzudenken und ermöglicht ein stückweit den Erhalt von Mobilität und Lebensqualität. Die meisten Modelle werden bisher aus einem Aluminium- oder Carbonrahmen, hergestellt. Ein Projekt der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) unternimmt mit dem Bambulator den Versuch, dem wachsenden Umweltbewusstsein und Nachhaltigkeitsgedanken der Anwender nachzukommen und dabei den Ansprüchen der Bioökonomie gerecht zu werden.

Erfolgreich beim Ideenwettbewerb

Ideengeber für den Bambulator war Marcus Leonard, der Inhaber von mobilfreu.de. Bei seiner täglichen Arbeit mit Mobilitätshilfen fiel ihm auf, dass sich die meisten Modelle grundsätzlich ähneln. Beeindruckt von dem in 2015 an der HNEE abgeschlossenen Kooperationsprojekt zum Holz-E-Bike, stellte Leonard die Idee eines Rollators aus nachwachsenden Rohstoffen der dort ansässigen Arbeitsgruppe Chemie und Physik des Holzes um Alexander Pfriem vor. Die von der Arbeitsgruppe betriebene Forschung hat zum Ziel, die Einsatzgebiete von Holz zu erweitern, die Nutzungsdauer der Produkte zu verlängern und insgesamt weniger Ressourcen für dieselbe Anwendung zu verwenden.

Im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) konnte das Vorhaben 2016 in eine einjährige Sondierungsphase gehen, der 2017 eine zweijährige Machbarkeitsphase folgte. In diesem Zeitraum wurde das Projektkonsortium, bestehend aus der HNEE-Projektgruppe sowie den Industriepartnern Rülke Holztechnik GmbH und Steinel Metall + Kunststoff Systeme GmbH, mit insgesamt rund 570.000 Euro durch das BMBF gefördert.

Pflanzenwurzeln sorgen in der Regel für einen festen Boden. Und je stärker der Bewuchs ist, desto geringer ist die Bodenerosion. Regen hingegen lockert den Boden auf und begünstigt die Erosion. Diese landläufige Meinung ist jedoch keinesfalls allgemeingültig, wie eine Untersuchung nun zeigt. In einer großangelegten Studie haben Geowissenschaftler der Universität Tübingen erstmals den komplexen Zusammenhang zwischen Vegetation, Niederschlag und Bodenerosion ins Visier genommen. Als Untersuchungsgebiet wählte das Team um Todd Ehlers den 3.500 Kilometer langen Westrand der Anden in Peru und Chile. Diese Region umfasst sechs Klimazonen und reicht von sehr trocken bis gemäßigt.

Gebirgsbildung in den Anden untersucht

Die Forscher wollten wissen, welchen Einfluss das Wechselspiel von Pflanzenwachstum und Klima auf die Gebirgsbildung in den Anden hat. „Man könnte annehmen, dass je dichter die Pflanzendecke ist, desto geringer die Erosion. Dieser einfache Zusammenhang stimmt für einige Andenregionen“, resümiert Ehlers. Kommt der Niederschlag hinzu, ändert sich jedoch das Bild. Denn Regen fördert zwar das Pflanzenwachstum, aber eben auch die Erosion.

Pflanzenwurzeln können Festgestein lockern

Wie die Forscher im Fachjournal Science nun berichten, ist der Einfluss von Pflanzenwuchs auf die Bodenerosion in den Klimazonen sehr verschieden. Demnach können Pflanzen die Erosion auch erhöhen, indem sie mit ihren Wurzeln Festgestein in Boden umwandeln, der dann abgetragen werden kann. So sorgte beispielsweise die spärliche Vegetation in der trockenen Atacama-Wüste für einen festen Boden. Im Gegensatz dazu stellten die Forscher fest, dass in gemäßigten feuchteren Gebieten mit einer dichteren Pflanzendecke die Erosionsrate sogar höher war. So konnte das Team beobachten, dass es in den klimatisch gemäßigten Andengebieten nur deswegen eine dichte Pflanzendecke gibt, weil dort auch viel Regen fällt. Dieser verstärke jedoch trotz der zahlreichen Pflanzen insgesamt die Bodenerosion. In anderen Regionen wiederum wurde die Erosion durch Pflanzen gemindert, so dass Hänge stabilisiert und steiler wurden.

Messungen der Nuklide vervollständigen Bild

Für die Bestimmung der Erosionsrate verwendeten die Forscher sogenannte kosmogene Nuklide, die durch Strahlung aus dem Kosmos auf der Erdoberfläche entstehen. Diese reichern sich aber nur in freiliegendem Boden an. Auf der Grundlage solcher Messungen konnten die Forscher errechnen, wie schnell Gebirge in den Anden abgetragen werden. „Unsere Untersuchung entlang dieses weiten Klimagradienten in den Anden hilft dabei, die Beobachtungen vieler anderer Studien zu kombinieren“, so  Ehlers. Doch erst der Überblick würde zeigen, wie Pflanzen und Klima mit der Topografie interagieren. „Unsere Studie ist ein Beispiel für eine neue Wissenschaftsgrenze, die an der Schnittstelle der Geo- und der Biowissenschaften liegt", sagt der Forscher. „Wir erfahren immer mehr darüber, wie stark die festen und lebendigen Teile der Erde miteinander wechselwirken, und wir können die Effekte dieser Interaktionen über lange Zeitskalen von Tausenden von Jahren beobachten."

bb

Für die Zeit ab 2020 hat sich eine große Zahl von Geberländern verpflichtet, den Klimaschutz in ärmeren Staaten mit jährlich 100 Milliarden Dollar zu unterstützen. Mit der Gestaltung solcher Transfers befasst sich eine Studie des Berliner Klimaforschungsinstituts MCC (Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change). Die Studie zeigt, wie man die Architektur der internationalen Klimafinanzierung, etwa im Rahmen des „Green Climate Fund“, verbessern und so die Treibhausgasemissionen wirksamer senken könnte.

Die Analyse erfolgt mit der wissenschaftlichen Methode der Spieltheorie: Ein mathematisches Modell bildet ab, wie stark sich unter bestimmten Bedingungen jeder einzelne Staat um Klimaschutz bemüht, wie er auf das Verhalten anderer Staaten reagiert und was am Ende insgesamt herauskommt. Laut der Studie wäre das Ergebnis besser, wenn Klimafinanzierung vom Budget her flexibel wäre und ihre Auszahlungen anders ausrichten würde.

Das Autorenteam belegt dies mit einer ausgeprägten Alternative. Demnach legt die Staatengemeinschaft nicht die Gesamtgröße des Geldtopfs fest, sondern nur, um wieviel jedes Land die Geldflüsse innerhalb des Fonds erhöht, wenn es teilnimmt. Erst danach entscheidet jedes Land eigenständig, ob es wirklich selbst mitmacht (wodurch sich dann das Budget flexibel bildet) und wieviel Klimaschutz es realisiert. Verteilt wird das Geld am Ende zwischen allen teilnehmenden Staaten – und zwar proportional zu den über oder unter dem Schnitt liegenden Kosten. „Dann bildet sich ein Gleichgewicht im sozialen Optimum“, berichtet MCC-Forscherin Kornek, Leiterin der MCC-Arbeitsgruppe Governance und Leitautorin. „Länder können dann erwarten, dass zusätzlicher Klimaschutz zum Großteil aus dem Geldtopf erstattet wird. Dagegen erscheint Trittbrettfahrer-Verhalten als unattraktiv: Nach einem Ausstieg ist absehbar, dass die verbleibenden Länder deutlich weniger tun und die allgemeinen Klimaschäden spürbar zunehmen.“

Veröffentlicht wurde die Studie in der Fachzeitschrift European Economic Review.

Bürgerforschung im Boden: Die Citizen-Science-Aktion „Expedition Erdreich“ ist das große Mitmach-Event des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) initiierten Wissenschaftsjahrs 2020 zum Thema Bioökonomie. Alle interessierten Bürgerinnen und Bürger sind im Rahmen dieser Aktion aufgerufen, den Boden unter anderem mit Teebeuteln zu untersuchen – und dadurch die Wissenschaft zu unterstützen.

Teebeutel werden ab Juni 2021 vergraben

Augrund der Corona-Pandemie wird der Start der Expedition Erdreich auf den Sommer 2021 verschoben. Trotzdem können kostenlose Aktions-Kits samt Begleitmaterialien für die bodenkundlichen Untersuchungen der Expedition Erdreich jetzt schon bundesweit vorbestellt werden. 

Bei der Expedition Erdreich sind Menschen bundesweit aufgerufen, mit wissenschaftlichen Methoden erstmals flächendeckend den Boden in Deutschland zu erkunden. Die Wissenschaft braucht eine ganze Menge Daten, um den allgemeinen Zustand unserer Böden und deren CO2-Freisetzung besser bewerten zu können. Dabei ist die Unterstützung möglichst vieler Bürgerinnen und Bürger wichtig.

Mit Tea-Bag-Index Deutschlands Böden ergründen

Bei der Expedition untersuchen die Teilnehmenden den Boden an zwei verschiedenen Standorten mit Teebeuteln. Was erst einmal ungewöhnlich klingt, ist eine anerkannte wissenschaftliche Methode, der sogenannte Tea-Bag-Index. Dabei werden genormte Beutel Grün- oder Roibostee vergraben, drei Monate lang durch im Boden lebende Mikroorganismen zersetzt und dann wieder ausgegraben. Der Gewichtsunterschied gibt Aufschluss über die Zersetzungsrate des Tees und damit auch die CO₂-Freisetzung des jeweiligen Bodens. Weil die Zersetzung von vielen Faktoren abhängt, untersuchen die Teilnehmenden zusätzlich auch den pH-Wert, die Bodenart oder die Art der Landnutzung. Diese und andere Angaben werden nach Abschluss der Aktion in eine europäische Datenbank eingespeist und von Forschenden ausgewertet.

Geodaten wie die von Satelliten oder Drohnen können nützliche Helfer in der Landwirtschaft sein. Im Rahmen des Copernikus-Programms liefern ESA-Satelliten wie Sentinel-1 und Sentinel-2 bereits seit 2014 präzise Informationen zur Art der Landnutzung und Bodenbeschaffenheit, zu Pflanzenwachstum und Umweltbedingungen. In den riesigen Datenmengen schlummert ein Potenzial, das bisher unzureichend genutzt wird. Im Forschungsverbund AgriSens wollen Wissenschaftler nun die Datenflut in richtige Bahnen lenken und so für die Landwirtschaft besser nutzbar machen.

Nutzung von Satellitendaten erleichtern

„Aktuell ist die Hürde, diese Daten zu nutzen, für viele Landwirte leider viel zu hoch. Das betrifft vor allem den Zugang zu den Daten, die Nutzung in einer Fülle von Softwarelösungen und unübersichtlichen Angeboten des Marktes. Wir möchten hier niedrigschwellige Lösungen anbieten", erklärt Projektkoordinator Daniel Spengler.

Der Startschuss für das Forschungsprojekt „AgriSens DEMMIN 4.0 (Fernerkundungstechnologien für die Digitalisierung im Pflanzenbau)“ fiel im März. Das Vorhaben wird vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ Potsdam koordiniert und vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft in den kommenden drei Jahren mit 3,7 Mio. Euro unterstützt. Am Projekt beteiligt sind neben dem GFZ das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR, das Julius-Kühn-Institut Braunschweig, der Deutsche Wetterdienst, die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, die Friedrich-Schiller-Universität Jena, die Hochschule Neubrandenburg und die Julius-Maximilians-Universität Würzburg, aber auch Landwirtschaftsbetriebe.

Einsatz für digitale Helfer definiert

Gemeinsam mit Landwirten haben die Wissenschaftler im Vorfeld des Projektes bereits Anwendungsfelder definiert, in denen digitale Technologien von Vorteil wären. Dazu zählen beispielsweise Informationen, die dem Landwirt helfen können, die Bewässerung der Felder oder die Erstellung von Ernteprognosen zu planen. Auch Drohnen könnten hier zum Einsatz kommen und mittels spezieller Sensoren erkennen, ob der Acker nach einem Regen mit schwerem Gerät noch befahrbar ist. In solch einem Fall könnten die anhand der Daten erstellten Karten dem Landwirt per Handy oder Laptop über die Bodenfeuchte des Ackers Auskunft geben.

Fernerkundungsdaten in Cloud speichern 

Um diese Visionen umzusetzen, wollen die Forscher Struktur und System in einen Prozess bringen, der von einer Fülle von Daten gespeist wird. Das Ziel: Die Informationsflut in die richtigen Bahnen lenken und mit Daten kombinieren, die am Boden erhoben werden. „Wir wollen eine Infrastruktur schaffen, mit der diese Daten möglichst schnell so prozessiert werden, dass sie für Landwirte nutzbar werden," so Christian Hüttich, der das Projekt am Lehrstuhl für Fernerkundung der JMU leitet. Dafür wollen die Würzburger Forscher erstmals Fernerkundungsdaten in eine Cloud bringen, die dann allen anderen Projektbeteiligten zur Verfügung stehen.

bb

Ob Lachs oder Forelle: Viele Fischarten werden heute in Aquakulturanlagen gezüchtet, um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden. Doch die Zucht ist aufwendig und verlangt eine ständige Überwachung. Das könnte künftig ein Programm übernehmen, an dem das 2019 gegründete Berliner Start-up Monitorfish arbeitet. Das Team um Mitgründer und Geschäftsführer Dominik Ewald setzt dabei auf Künstliche Intelligenz. Sensoren und Kameras, die im Becken eingelassen sind, liefern dem Züchter wichtige Daten zur Wasserqualität und zum Tierverhalten, um frühzeitig Veränderungen festzustellen und einschreiten zu können. Die Entwicklung des digitalen Frühwarnsystems wurde unter anderem vom Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des Existenzgründerprogramms EXIST gefördert.

Jörg Overmann ist Wissenschaftlicher Direktor des Leibniz-Instituts DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH und leitet damit das weltweit vielfältigste Archiv für biologische Ressourcen. An der Braunschweiger Forschungseinrichtung werden Mikroorganismen sowie Zellkulturen gesammelt, erforscht und archiviert. Mit dem Projekt DiASPora (Digital Approaches for the Synthesis of Poorly Accessible Biodiversity Information) war ein Team um Overmann beim Leibniz-Wettbewerb 2019 erfolgreich und wird mit 1 Mio. Euro gefördert. Mikrobiologie trifft hier auf Informatik, um die enorme Biodiversität der Bakterien besser zu erschließen.

Jörg Overmann is Scientific Director of the Leibniz Institute DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH and leads the world's most diverse archive for biological resources. Microorganisms and cell cultures are collected, researched, and archived at the Braunschweig research institute. With the project DiASPora (Digital Approaches for the Synthesis of Poorly Accessible Biodiversity Information), a team led by Overmann was successful in the Leibniz Competition 2019 and is being funded with 1 million euros. This is where microbiology meets computer science in order to better exploit the enormous biodiversity of bacteria.

Pflanzen ziehen ohne Kunststoffe

Die meisten Pflanzen werden auf der Fensterbank oder im Gewächshaus vorgezogen, bevor sie ins Freiland dürfen, und auch auf Terrassen, Balkonen und Fensterbänken wird immer mehr gegärtnert. Zu Dutzenden schleppen wir die schwarzen oder braunen Plastiktöpfe aus den Gartencentern nach Hause. Dann stapeln sie sich im Keller oder Schuppen, all die kleinen Töpfe, in denen wir einmal Jungpflanzen gekauft haben, und landen irgendwann unweigerlich auf dem Müll. Zwar gibt es bereits Alternativen aus Biofasern, allerdings müssen diese noch mit einem Kleber aus Kunststoff stabilisiert werden.

Rückstandsfrei kompostierbar

Der Pflanztopf "Hanfi" der oberfränkischen Firma Evolutio sieht zwar aus wie Plastik kommt aber ganz ohne Kunststoffe aus. Er besteht zu 98% aus dem nachwachsenden Rohstoff Hanf, die restlichen 2% sind Minerale. Verarbeitet werden die Fasern des Strunks der Hanfpflanze. Sie werden zusammen mit den Mineralen zu Pellets gepresst, die dann maschinell zu Töpfen verarbeitet werden.

Die Pflanztöpfe sind zu 100% biologisch abbaubar, und somit kann die Jungpflanze beim Umtopfen ganz einfach im Topf bleiben. Nach etwa 8 Wochen beginnt der Kompostierprozess und es entstehen die ersten Löcher und Risse im Topf. Nach und nach kompostiert sich der Topf im Boden bis er, je nach Bodenbeschaffenheit, nach ca. 18 - 24 Monaten rückstandsfrei verrottet ist. Wird "Hanfi" nicht eingepflanzt, kann er wie jeder andere Blumentopf genutzt werden, ohne dass die Kompostierung einsetzt.

Marktreife

Nutzbar ist der Pflanztopf aus Hanf nicht nur für private Gartenliebhaber sondern auch für gewerbliche Gärtnereien und Baumschulen. Erhältlich sind die "Hanfis" im Onlineshop bei "meinwoody.de".

Growing plants without plastics

Most plants are grown on the window sill or in the greenhouse before they are allowed outdoors, and more and more plants are also being fertilized on terraces, balconies and window sills. We carry dozens of the black or brown plastic pots from the garden centres home. Then they pile up in the cellar or shed, all the little pots in which we once bought young plants, and at some point, they inevitably end up in the trash. There are already alternatives made from bio-fibres. However, these still have to be stabilized with a plastic adhesive.

Residue-free compostable

The plant pot "Hanfi" created by the Upper Franconian company Evolutio looks like plastic but does not use any plastics at all. It consists to 98% of the renewable raw material hemp, the remaining 2% are minerals. The fibres of the stem of the hemp plant are processed. They are pressed together with the minerals into pellets, which are then mechanically processed into pots.

The plant pots are 100% biodegradable, so the young plant can remain in the pot when repotting. After about eight weeks the composting process starts, and the first holes and cracks appear in the pot. Little by little, the pot composts in the soil until, depending on the soil conditions, it rots without residue after approximately 18 - 24 months. If "Hanfi" is not planted, it can be used like any other flower pot without composting.

Market readiness

The plant pot made of hemp is not only suitable for private garden lovers but also for commercial nurseries. The "Hanfis" are available in the online shop at "meinwoody.de".

Der Trend der Digitalisierung in der Arbeitswelt hat auch die Landwirtschaft erfasst. Das Land Niedersachsen unterstützt diese Entwicklung mit dem „Zukunftslabor Digitalisierung Agrar“ (ZLA), einem von sechs Konsortien zu unterschiedlichen Anwendungsfeldern der Digitalisierung. Rund 3,7 Millionen Euro stellt das Landesforschungsministerium für das ZLA bereit. Die Koordination liegt bei der Universität Osnabrück.

Vernetzung der Akteure

Den Zukunftslaboren kommt vor allem die Aufgabe der Vernetzung zu. Sie sollen die Digitalisierung wissenschaftlich begleiten, Wissenschaft und Praxis zusammenführen und den Dialog mit den Bürgern suchen. Mit dem hauseigenen KI-Campus sieht sich die Universität Osnabrück dafür gut aufgestellt. Weitere Projektpartner sind das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, die Hochschule Osnabrück, das Julius Kühn-Institut, das Thünen-Institut, die Technische Universität Braunschweig, die Universität Göttingen sowie die Universität Vechta.

KI-Methoden zur Datenauswertung

Mit Blick auf die Landwirtschaft soll das ZLA insbesondere die ökonomische, ökologische und soziale Nachhaltigkeit durch die Digitalisierung unterstützen. Wichtige Fragen sind dabei die Datendurchlässigkeit und Datenhoheit, denn schon heute werden viele Daten automatisiert erhoben, sind aber aus Datenschutzgründen nicht ohne Weiteres für die Forschung nutzbar. Um diese großen Mengen an Daten auszuwerten und zu nutzen, wollen die Partner des ZLA auf KI-Methoden setzen. Darüber hinaus wollen die Forscher untersuchen, wie sich die Digitalisierung auf das Arbeitsumfeld, die Ausbildungsinhalte und die rechtlichen Rahmenbedingungen in der Agrar- und Ernährungswirtschaft auswirkt.

Landwirte bei der Dokumentation entlasten

Ein konkretes Anwendungsbeispiel, wie die Digitalisierung die Landwirte entlasten könnte, schildert ZLA-Koordinator Joachim Hertzberg: „Bauern müssen und wollen dokumentieren, dass sie bei der Arbeit im Stall und auf dem Feld alle Gesetze und Regeln einhalten. Wenn diese Dokumentation, die zum Teil in Inhalt und Form gesetzlich vorgeschrieben ist, in digitalisierten Prozessen gleichsam nebenher, aber zuverlässig abfällt und in dieser Form auch rechtlich akzeptiert wird, spart das einen Riesenaufwand.“

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