Drohnen und Roboter revolutionieren die Landwirtschaft

Im Juli fliegen sie wieder über den Maisfeldern: die Drohnen von Fenaco Agroline. Ihre Mission: den Maiszünslern den Garaus zu machen – und zwar mithilfe von biologisch abbaubaren Kapseln, die Trichogrammen, auch Schlupfwespen genannt, in sich tragen. Diese legen ihre Eier in diejenigen des Maiszünslers und parasitieren sie dadurch. Schlupfwespen werden im Biolandbau schon seit Jahrzehnten zur Bekämpfung von Schädlingen eingesetzt. Das war allerdings bis vor Kurzem mit mühsamer Handarbeit verbunden. Der Multikopter hingegen braucht nur vier Minuten, um einen Mais-Hektar mit Trichogrammen zu bestücken – rund fünfmal weniger als ein Landwirt. Zurzeit fliegen alleine in der Schweiz 25 Drohnen im Dienste der Landwirtschaft.

Arbeitserleichterung für Winzer

Zweites Einsatzgebiet ist der Rebbau, vor allem an steilen Hängen, wie Thomas Anken erklärt. Er ist Leiter der Forschungsgruppe Digitale Produktion beim Kompetenzzentrum für landwirtschaftliche Forschung Agroscope und beschäftigt sich schon seit Jahren mit der Digitalisierung der Landwirtschaft. In den Weinbergen verteilen Drohnen Pflanzenschutzmittel. „Das bringt eine enorme Arbeitserleichterung”, sagt Anken. Der Vorteil der kleinen Helfer aus der Luft: Sie arbeiten sehr präzise und leise – im Gegensatz beispielsweise zu Hubschraubern. Diese verursachen zudem Abdrift, die Pestizide landen also dort, wo sie nicht hingehören. Die Drohnen hingen können dank GPS-gestützter Programmierung sehr gezielt dort eingesetzt werden, wo es wirklich nötig ist.

Billig ist diese Lösung allerdings nicht: Eine Drohne kann lediglich 15 Liter Pestizid laden und kostet in der Anschaffung rund 30000 Franken. Zudem müssen sich die Anwender mit der Technologie gut auskennen, weshalb Landwirtschaftsbetriebe sich zusammenschließen und die Dienste von Lohnunternehmern in Anspruch nehmen. Auch wenn die Landwirte damit ein Stück Kontrolle aus der Hand geben, sind die Rückmeldungen „sehr gut”, wie Thomas Anken betont.

Die Schweiz spielt bei der Entwicklung der Drohnentechnologie weltweit eine Schlüsselrolle. Dies betrifft vor allem die Entwicklung von Sensortechnik, Drohnensteuerung und Datenverarbeitung, wo internationale Standards gesetzt werden. Das gilt auch für die Rechtsprechung. So hat die Schweiz als einziges europäisches Land eine offizielle Zulassung von Sprühdrohnen in der Landwirtschaft und ist deshalb eine gefragte Ansprechpartnerin für die internationale Normierung.

Drohnen als fliegende Kameras

Relativ häufig werden Drohnen als fliegende Kameras eingesetzt. Ein Beispiel ist die Rehkitzrettung mithilfe von Wärmebildkameras. Für die großflächige Erfassung von Landwirtschaftsflächen bieten hingegen Satellitenbilder eine kostengünstige Alternative.

„Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) stellt Überwachungsbilder von Satelliten gratis zur Verfügung”, sagt Thomas Anken. Deren Auflösung ist allerdings viel geringer, und Wolken können die Sicht verhindern.

Nur so viel Dünger wie nötig streuen

Eine weitere Anwendung stellt die Messung der Nährstoffversorgung von Ackerkulturen dar, die sich mittels multispektraler Bilder erheben lässt. So kann an jeder Stelle im Acker genau die Menge Dünger verabreicht werden, die dort auch durch die Pflanzen verwertet wird. Damit lassen sich unerwünschte Einträge von Nitrat ins Grundwasser oder Lachgas in die Atmosphäre minimieren. Tatsächlich sind bereits auf der ganzen Welt Drohnen für landwirtschaftliche Zwecke im Einsatz. In Afrika gelten sie als Schlüsseltechnologie und werden beispielsweise zur Kartografierung von Landflächen eingesetzt, damit Bauern ihre Landrechte geltend machen können. Auch Dürre soll mithilfe der unbemannten Fluggeräte bekämpft werden: So werfen im Sudan Drohnen Akaziensamen in Gegenden ab, wo Wüstenbildung droht; gleichzeitig wird mittels Luftaufnahmen der Gesundheitszustand zahlreicher Pflanzen diagnostiziert. Die gesammelten Informationen ermöglichen es Landwirten, Forschenden und Hilfsorganisationen, Ernteschäden zu reduzieren.

Wie die Zukunft der Landwirtschaft aussehen könnte, zeigt der Blick nach Japan: Der Einsatz von Drohnen ist für die dortigen Reisbauern Alltag. Bereits im Jahr 1990 brachte Yamaha seinen unbemannten Mini-Hubschrauber auf den Markt. Mittlerweile sind über 2300 Geräte von verschiedenen Herstellern im Einsatz, die Reisfelder behandeln. Auch in den USA stehen die japanischen Drohnen kurz vor der Zulassung. Einer Studie der Association for Unmanned Vehicle Systems International (AUVSI) zufolge können durch die Zulassung von zivilen Drohnen in den USA rund 70000 neue Arbeitsplätze innerhalb von drei Jahren entstehen und die Landwirtschaft umkrempeln.

Potenzial bei Bodenanwendungen

Davon ist die Schweiz noch weit entfernt. Und vielleicht kommt sie auch gar nie dorthin: Zwar sieht Thomas Anken weiteres Potenzial für künftige Anwendungen, so etwa bei der Früherkennung von Krankheiten mittels gezielter bildgebender Verfahren. Allerdings wird die moderne Technologie eher langsam Einzug in die aktuelle Landwirtschaft halten, wie der ‚Technology Outlook‘ 2019 der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften festhält. Ein Grund dafür sind „wenig an Produktionseffizienz gebundene Agrarsubventionen”, wie es im Bericht heißt. Thomas Anken rechnet denn auch damit, dass der Einsatz von Drohnen für die Schädlingsbekämpfung in der Schweiz auch künftig eine Nische bleiben wird. „Beim Einsatz in Steilhängen könnten die Drohnen aber zur Norm werden.”

Allerdings wird die Landwirtschaft ja nicht nur aus der Luft revolutioniert – auch auf dem Boden sind Prototypen von digitalen Helfern im Einsatz – zum Beispiel Feldroboter oder ferngesteuerte Mähmaschinen bei Berghängen. Thomas Anken sieht großes Potenzial bei solch unbemannten Fahrzeugen. Allerdings: „Es gibt gesetzliche Lücken, beispielsweise was die Haftung bei Unfällen betrifft”, so Anken. Vorerst hat die echte Landwirtin aus Fleisch und Blut also nicht ausgedient.

Maxons Antriebssystem für Drohnen

Für Drohnen hat maxon ein Antriebssystem herausgebracht, das aus den drei Komponenten BLDC-UAV-Flachmotor.

Electronic Speed Controller UAV EC 69 flat mit dem Electronic Speed Controller ESC 52-30 sowie einem Propeller besteht. Die UAV-Produkte sind für minimalen Stromverbrauch entwickelt und optimal aufeinander abgestimmt.

Maxons Portfolio an BLDC-UAV-Flachmotoren besteht aus Außenläufermotoren mit segmentierten Magneten und Hochtemperaturwicklungen. Die wartungsfreien Motoren mit geschirmten Lagersystemen verfügen über eine optimierte Luftstromkühlung und leichte luftfahrttaugliche Aluminiumteile. Sie werden speziell für extreme Langlebigkeit und höchste Zuverlässigkeit in professionellen UAVs verwendet.

Der maxon Electronic Speed Controller verwendet einen sensorlosen und bis heute auf dem UAV-Markt konkurrenzlosen Regelungsalgorithmus. Individuelle Kalibrierung und erweiterte Parametereinstellungen gewährleisten eine optimale feldorientierte Regelung mit minimalen Leistungsverlusten. Die Hardware wird durch die intuitive Studio-Software unterstützt.

Um das Antriebssystem zu vervollständigen, arbeitet maxon mit führenden Herstellern von Propellern. Denn für das beste Antriebssystem müssen alle Elemente berücksichtigt und optimal eingesetzt werden.

Das Bild zeigt den maxon DC-Motor RE 50. Solche qualitativ hochstehenden Gleichstrommotoren, ausgerüstet mit leistungsstarken Permanentmagneten, kommen beispielsweise in Feldrobotern zum Einsatz.

Interview mit Roman Berger, maxon

„Elektromechanische Antriebe spielen auch künftig eine Rolle“

Ohne Antrieb läuft weder ein Ernteroboter noch eine Pestiziddrohne. Roman Berger, Head of Business Development Robotics bei maxon, erklärt, wohin die Reise geht.

Herr Berger, Roboter und Drohnen werden immer öfter in der Landwirtschaft eingesetzt. Können Sie uns Beispiele nennen, wo Technologie von maxon drinsteckt?

Der Agrarrobotermarkt ist weltweit im Aufbau. Dabei handelt es sich meistens um Start-ups, die aber mehr und mehr auch von großen Playern unterstützt werden. Ein Beispiel für ein solches Start-up ist E-Terry aus Deutschland. Dabei handelt es sich um eine autonome Trägerplattform für Geräte der automatisierten Bodenanalyse, Pflanzenpflege und Ernte. Die Antriebsachsen sind mit maxon-Antrieben ausgerüstet. Auch die französische Firma Vitirover setzt für ihre Mähroboter maxon-Systeme ein. Es gäbe noch viele Beispiele, leider dürfen wir über viele noch nicht sprechen.

Welche spezifischen Herausforderungen stellen sich in diesem Umfeld an die Antriebssysteme?

Im Agrarbereich sind Sicherheit und Robustheit gegen Umwelteinflüsse gefragt, und zwar bei relativ hohen Umgebungstemperaturen und gleichzeitiger Einhaltung hoher Kosteneffizienz. Das ist eine große Herausforderung. Maxon begegnet diesen Rahmenbedingungen mit neuen Motor- und Getriebeprodukten mit wesentlich höheren Drehmomentanforderungen, wie sie zum Beispiel von unserer Tochtergesellschaft Parvalux produziert werden. Im Vergleich zur klassischen Automatisierung in der Industrie stellen neue Kommunikations-Bus-Systeme – also Drehscheiben für die Datenübertragung – wie beispielsweise CAN J1939, ISO-Bus zusätzliche Herausforderungen dar.

Inwieweit stellen neue Kommunikations-Bus-Systeme hier zusätzliche Herausforderungen dar?

Bisherige Anfragen für Roboter konnten mit CANopen oder EtherCAT beantwortet werden. Typische Feldbussysteme aus dem Agrarsektor könnten aber durchaus noch eine Rolle spielen, da Sensoren oder Aktuatoren in diesem Bereich häufig über J1939 / ISO-Bus angebunden werden.

Wohin geht Ihrer Meinung nach die Reise?

Der Druck, Pestizide zu reduzieren, wird sich in den nächsten Jahren dramatisch erhöhen, denkt man beispielsweise an die Diskussion um Glyphosat. Angesichts des Klimawandels wird zudem immer mehr Wert darauf gelegt, die Bodenverdichtung zu reduzieren, um den Boden als natürlichen Wasserspeicher besser nutzen beziehungsweise erhalten zu können. Diese Entwicklung zeigt sich auch darin, dass große Unternehmen wie Bosch, Continental, BASF oder Fendt die Forschung in diesem Bereich vorantreiben. Experten rechnen damit, dass sich der Agrarrobotermarkt bis zum Jahr 2025 auf 12,4 Milliarden Euro entwickelt. Den wesentlichen Anteil werden hier Softwareprodukte wie Smart-Farming-Lösungen inklusive Roboter-Fleet-Management einnehmen. Aber auch elektromechanische Antriebslösungen haben einen signifikanten Anteil, der auf ein bis zwei Milliarden Euro geschätzt wird.

Wie wichtig ist dieser Markt für maxon?

Der Markt ist jung, und es dauert noch, bis die Kommunikationsmöglichkeiten für Smart Farming etabliert sind. Bis 2030 kann für maxon der Agrarroboterbereich aber durchaus fünf bis zehn Prozent Umsatz bringen, und zwar mit intelligenten und sicheren Antriebssystemen und geeigneten Kommunikationsschnittstellen als Brücke zu den Smart-Farming-Lösungsanbietern.

Aus welchen Ländern bekommen Sie die meisten Anfragen?

Hauptsächlich sehen wir derzeit potenzielle Chancen in Europa und Asien. In Europa sind insbesondere die nordischen Staaten zu nennen. Aufgrund der geographischen Gegebenheiten sind Australien und USA tendenziell eher größere Geräte im Einsatz.

Gibt es Hürden, die die Weiterentwicklung blockieren?

Der Betrieb von autonomen mobilen Robotern auf für Personen freizugänglichen Feldern ist kaum geregelt und die Haftungsfrage bei Unfällen ist als kritisch zu betrachten und derzeit schwer abschätzbar.

Wie stellen Sie sicher, dass jede Agrarroboteranwendung den für sie bestmöglichen Antrieb erhält?

Maxons modulares Baukastenprinzip wird für Branchenlösungen eine hilfreiche Basis bilden. Neue Produkte aus der maxon Gruppe, zum Beispiel von Parvalux, werden hier zusätzliche Möglichkeiten bilden.

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