Stromversorgung Digitale Überwachung von Vegetationsparametern

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Die Firma JB Hyperspectral Devices GmbH ist u. a. in den Themengebieten Pflanzenforschung aktiv und misst dabei auch Vegetationsparameter für die Landwirtschaft. Zur Stromversorgung der Komponenten kommen DC/DC-Konverter von Traco Power zum Einsatz – auch unter widrigsten Umgebungsbedingungen.

Landwirte bewirtschaften eines der wertvollsten Güter, die ein Land zu bieten hat: seine Böden. Die Bauern sollen einerseits Lebensmittel zu Spitzenqualität liefern, andererseits sollen diese auch möglichst günstig sein. Die Landwirtschaft befindet sich in einer 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.

Weniger als ein Fussballfeld für die Versorgung

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 können maximal 5 Mrd. Hektar landwirtschaftlich bewirtschaftet werden. Demgegenüber steht eine Weltbevölkerung von ca. 8 Mrd. Menschen. Für jeden einzelnen steht damit weniger als ein Hektar zur Versorgung bereit. Das ist kleiner als die Fläche eines Fussballfeldes (0,625 ha vs. 0,714 ha).

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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.

Digitale Überwachungsmethoden

In diesem Umfeld ist die Fa. JB Hyperspectral Devices GmbH, Düsseldorf, tätig. Das 2016 gegründete Start-up-Unternehmen ist mit seinen Forschern und Entwicklern u. a. 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 und Ernteverluste sind die Folge.

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

Die Vegetationsparameter werden permanent überwacht. Kenngrössen einer Pflanze können neben dem Gewicht, der Blattfläche, dem Wasserpotenzial, der Chlorophyll-Konzentration auch die Photosynthese sein. Die Photosynthese ist ein biochemischer Vorgang, bei dem durch die Absorption von Licht Kohlenhydrate hergestellt werden. Neben dem Licht benötigt die Pflanze noch Wasser und Kohlendioxid, um Kohlenhydrate herzustellen. 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 z. B. 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.

Referenz-Messungen am Boden

Um globale Satellitenkarten ergänzen zu können, finden auch Referenz-Messungen 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, d. h. in ihre einzelnen Wellenlängen, zerlegen kann. Das so entstandene Spektrum erlaubt Rückschlüsse auf das Emissions- und Absorptionsverhalten.

Die Fluoreszenzbox (FloX) ist 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), z. B. Überwachung der Vegetation.

«Während ein Satellit alle 20 Tage Daten über grosse Flächen liefert, können die oben genannten 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 GmbH. Mit den Daten aus den Langzeituntersuchungen können die Ergebnisse nicht nur bestätigt, sondern auch untermauert werden, so seine Hoffnung.

Solarpanel liefert Energie

Die Energie für die Geräte wird über ein Solarpanel oder eine 12-V-Batterie geliefert. Der durchschnittliche Energieverbrauch liegt bei ca. 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.

Stromversorgung der Komponenten

Zur Stromversorgung der Komponenten fiel die Wahl auf den THN 15-1211 bzw. THN 30-1211 von Traco Power. Diese DC/DC-Konverter können eine Spannung von 9–18 VDC auf 5 VDC/3000 mA bzw. 5 VDC/6000 mA wandeln. Als besondere Eigenschaften dieser Module sind ihre kompakte Bauform 25,4 mm x 25,4 mm (1»x1»), ein integrierter Filter nach EN 55022, Klasse A, und ein niedriger Ruhestrom-Verbrauch aufzuführen. Ausserdem garantieren diese eine si- chere galvanische Trennung (E/A-Isolation 1600 VDC), genau regulierte Ausgangsspannung und einen hohen Wirkungsgrad (88 bzw. 89 %). 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. Die Gerätschaften von JB Hyperspectral Devices sind auf der ganzen Welt im Einsatz. Sie sind widrigsten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Laut Andreas Burkart «Ist noch keines der Traco Module ausgefallen».

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