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DC/DC-Wandler für die Landwirtschaft

Gesundes Grünzeug leuchtet rot

11. Juli 2024, 7:30 Uhr | Von Axel Schütz, Traco Power

Kompakte Abmessungen verbinden die DC/DC-Wandler von Traco Power mit hoher Leistungsdichte und der Eignung für den Einsatz in widrigsten Umgebungsbedingungen weltweit.

Allerorts befindet sich die Welt im Umbruch. Wo wir auch hinsehen, alles ist in Bewegung. Alte Gewissheiten verblassen, neue Aufgabenstellungen treten zutage, sei es ein Krieg in Europa, Migration, wirtschaftliche Verschiebungen oder auch der viel zitierte Klimawandel. Ein weites Feld tut sich auf.

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Richten wir an dieser Stelle doch einmal den Scheinwerfer auf die Landwirtschaft. Wir alle haben noch die Bilder der Bauern-Proteste in Deutschland vor Augen. Landwirte bewirtschaften eines der wertvollsten Güter, die ein Land zu bieten hat: seine Böden. Ihr Zwiespalt dabei: Die Bauern sollen einerseits Lebensmittel zu Spitzenqualität liefern, andererseits sollen diese auch möglichst günstig sein. Eine Zwickmühle. Auch von anderer Seite wächst der Druck, denn den Böden, die sie bewirtschaften, geht es kaum besser. Empfindliche Ökosysteme werden durch überhöhte Ammoniak-Emissionen bedroht. Mittlerweile zeigt jede sechste Messstelle überhöhte Werte im Grundwasser an.

Und plötzlich stehen wir mittendrin im größten Ökoproblem für uns Menschen: nicht dem Flug- oder Autoverkehr, Atom- und Kohlekraftwerken, sondern unserem Essen. Es ist der größte Hebel, den wir haben, wenn wir unsere Natur bewahren wollen.

Von der Gesamtfläche der Erde lassen sich maximal 5 Milliarden Hektar landwirtschaftlich bewirtschaften. Demgegenüber steht eine Weltbevölkerung von rund 8 Milliarden Menschen. Für jeden einzelnen steht damit weniger als ein Hektar zur Versorgung bereit. Das ist kleiner als die Fläche eines Fußballfeldes! Konkret bedeutet das 0,625 ha vs. 0,714 ha.

Weniger als ein Fußballfeld für die Versorgung

Und diese Anbaufläche schrumpft aus zwei Gründen: Zum einen durch die weiter ansteigende Weltbevölkerung. Zum Zweiten verlieren wir pro Jahr ca. 12 Mio. Hektar durch die Art und Weise, wie diese Böden bearbeitet werden. Zu schwere Maschinen verdichten das Erdreich, intensive Düngung laugt den Boden aus. Hinzu kommen Erosion und Dürre. Ergo braucht es eine Anpassung an die neuen Gegebenheiten, um unser aller Lebensmittelbedarf stillen zu können.

In diesem Umfeld ist die Firma JB Hyperspectral Devices in Düsseldorf tätig. Im Jahr 2016 gegründet, ist das Startup-Unternehmen mit seinen Forschern und Entwicklern unter anderem in den Themengebieten Pflanzenforschung, Fernerkundung und Geo-Datentechnologie aktiv.

Geht es um die Gesundheit seiner Nutzpflanzen, verlässt sich der Landwirt nicht nur auf sein Gespür und seine Erfahrung. Tritt der Schaden auf, ist es schon zu spät, Ernteverluste sind die Folge.

Daher sind digitale Überwachungsmethoden entwickelt worden. Dazu gehören auch Drohnen, welche in Echtzeit große Flächen abdecken können, intelligente Analysen und vielfältige Sensor-Optionen bereitstellen. Auch hochauflösende Satellitenbilder, beispielsweise der ESA, bieten ein ökologisches Monitoring der Oberfläche.

Es gilt, die Vegetationsparameter permanent zu überwachen. Kenngröße einer Pflanze kann dabei neben dem Gewicht, der Blattfläche, dem Wasserpotenzial, der Chlorophyll-Konzentration auch die Photosynthese sein.

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Im Rahmen des biochemischen Prozesses der Photosynthese werden durch die Absorption von Licht Kohlenhydrate hergestellt. Neben dem Licht benötigt die Pflanze dafür noch Wasser und Kohlendioxid. Als Nebeneffekt entsteht Fluoreszenzlicht, also ein schwaches rotes Leuchten. Vereinfacht lässt sich sagen: Je mehr Licht sie absorbiert und je mehr Photosynthese die Pflanze betreibt, desto intensiver ist das emittierte Fluoreszenzlicht.

Eine Änderung dieses Signals deutet auf eine geänderte Synthese und Stress für die Nutzpflanze hin. Dieser Effekt erlaubt es, Rückschlüsse auf ungünstige Umweltbedingungen wie etwa Luftverschmutzung, Trockenheit, Parasitenbefall, Hitze oder schlechte Böden zu ziehen. All diese Faktoren führen zu einer eingeschränkten Photosynthese bei Pflanzen.

Es geht dabei nicht allein um Hilfe für die Landwirtschaft, sondern auch darum, Aussagen und Prognosen über komplexe Ökosysteme treffen zu können. Auf der einen Seite lassen sich verlässliche Aussagen machen, ob bestimmte Nutzpflanzen für den Anbau in ausgewählten Gebieten überhaupt geeignet sind. Zum anderen lässt sich frühzeitig vorhersagen, ob massive Ernteausfälle als Folge von Insektenbefall oder Trockenheit bevorstehen.

Um globale Satellitenkarten ergänzen zu können, finden auch Referenzmessungen am Boden statt. Hier kommen die automatisierten Feldspektrometer-Systeme FloX und RoX (Fluoreszenzbox bzw. Reflexionsbox) von JB Hyperspectral Devices zum Einsatz.

Ein Spektrometer ist ein Messgerät, welches Strahlung von infrarotem über sichtbares Licht in ihre Farbanteile, also in ihre einzelnen Wellenlängen, zerlegen kann. Das so entstandene Spektrum erlaubt Rückschlüsse auf das Emissions- und Absorptionsverhalten.

Im konkreten Fall der Fluoreszenzbox (FloX) handelt es sich um ein Instrument, welches die kontinuierliche Beobachtung der Chlorophyll-Fluoreszenz unter natürlichen Lichtverhältnissen ermöglicht. Es misst Spektral-Daten mit sehr hoher Auflösung und ist so konstruiert, dass ein zuverlässiger, störungsfreier Betrieb in freier Natur gewährleistet ist. Herzstück des Systems bildet ein Spektrometer, welches den Infrarotbereich (650–800 nm) abdeckt. In diesem Wellenbereich wird die Chlorophyll-Fluoreszenz emittiert.

Die Reflexionsbox (RoX) ist ein robustes und einfaches Werkzeug, um hyperspektrale Zeitreihen eines Umweltbereichs zu sammeln. Ein autarker Betrieb, flankiert von einem robusten, wetterfesten Design und geringem Stromverbrauch, macht es zu einem idealen Begleiter für alle Arten der Langzeitmessungen von Sonnenstrahlung und Reflexionsüberwachung im sichtbaren Infrarotbereich (300–950 nm), etwa zur Überwachung der Vegetation.

»Während ein Satellit alle 20 Tage Daten über große Flächen liefert, können diese Geräte zum einen zeigen, ob die Messungen aus dem Orbit korrekt sind, zum anderen geben sie aber auch Aufschluss darüber, wie es den Pflanzen zwischen den zeitlich punktuellen Messungen aus dem All ergeht«, sagt Andreas Burkart, wissenschaftlicher Leiter von JB Hyperspectral Devices. Mit den Daten aus den Langzeituntersuchungen können die Ergebnisse nicht nur bestätigt, sondern auch untermauert werden, so seine Hoffnung.

Von den Teilen ist noch keines ausgefallen

Ein Solarpanel oder eine 12-V-Batterie liefert die Energie für die Geräte. Deren durchschnittlicher Energieverbrauch liegt bei etwa 60 Watt. Ausgelesen werden können die Daten über eine RS-232-Schnittstelle oder kabellos. Eine Datenspeicherung auf einer SD-Karte ist auch möglich. Es liegt auf der Hand, dass bei solch einer Anwendung, die irgendwo auf einem abgelegenen Feld ihren Dienst tut, der Energieverbrauch und der Wirkungsgrad wesentliche Kriterien darstellen.

Zur Stromversorgung der Komponenten fiel die Wahl auf den THN 15-1211 beziehungsweise den THN 30-1211 von Traco Power. Diese DC/DC-Konverter können eine Gleichpannung von 9–18 V auf 5 V/3000 mA beziehungsweise 5 V/6000 mA wandeln. Als besondere Eigenschaften dieser Module sind ihre kompakte Bauform (25,4 mm × 25,4 mm, also 1 × 1 Zoll), ein integrierter Filter nach EN 55022 Klasse A und ein niedriger Ruhestrom-Verbrauch aufzuführen. Außerdem garantieren diese eine sichere galvanische Trennung (E/A-Isolation 1600 V DC), genau regulierte Ausgangsspannung und einen hohen Wirkungsgrad (88 beziehungsweise 89 Prozent). Traco bietet in diesem Formfaktor Module von 10 bis 30 Watt an. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit, der höchsten Leistungsdichte sind die THN-Module geeignet für platzkritische und robuste Anwendungen in rauer Umgebung.

Ein Faktor, den Burkart gerne bestätigt: »Die Gerätschaften von JB Hyperspectral Devices sind auf der ganzen Welt im Einsatz. Sie sind widrigsten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Dabei ist bislang noch keines der Traco-Module ausgefallen.«