In der Biolandwirtschaft ist die chemische Keule verpönt. Unkraut geht es daher nicht mit Pestiziden, sondern von Hand an den Kragen. Weil das Zupfen allerdings teuer ist und immer weniger Menschen diese schwere Arbeit machen wollen, hat das ETH-Spin-off Caterra einen Jät-Roboter entwickelt. Mit an Bord ist die 221-Klemme mit grünem Hebel.
Kaum jemand macht sich Gedanken darüber, mit welchen Herausforderungen die Erzeugung von Lebensmitteln aus biologischem Anbau einhergeht. Machen sich auf dem Kartoffelacker beispielsweise Schädlinge breit, darf der Landwirt nicht einfach Insektizide versprühen. Gleiches gilt, wenn Unkraut zwischen den Rüben spriesst und dem Fuchsschwanzgewächs so wichtige Nährstoffe entzieht. In diesem Falle bleibt dem Agrarier nichts anderes übrig, als Melde, Winde oder Distel von Hand zu zupfen. Je nach Kultur fallen hierbei 300 und mehr Stunden Arbeitszeit pro Hektar an, die sich im Verkaufspreis niederschlagen. Bei den genannten Karotten macht der Aufwand für das Jäten rund ein Fünftel der Gesamtkosten aus.
Obwohl diese Fleissarbeit mit über 20 Schweizer Franken die Stunde gut entlohnt ist, finden sich immer weniger Menschen fürs Ausrupfen. Zehn und mehr Stunden am Tag in Demutshaltung unter senkender Sonne oder im Regen zu ackern, ist für die meisten West- und Mittel-Europäer unvorstellbar. Daher übernehmen diesen Job vor allem Ernte- oder besser gesagt Jät-Helfer aus Moldawien, Rumänien oder Bulgarien. Doch selbst diese sind immer seltener für diesen Knochenjob zu haben, was die Europäische Union vor ein grosses Problem stellt. Diese möchte nämlich im Rahmen ihrer Farm-to-Fork-Strategie bis 2030 den Anteil biologisch bewirtschafteter Landwirtschaftsflächen verdreifachen und ist daher auf Menschen angewiesen, die Hühnerhirse, Färberkamille oder Windenknöterich zupfen. Unterbleibt das, drohen massive Ernteeinbussen.
Manuel Strahm, Elektroingenieur bei Caterra AG
Jät-Roboter versengt Unkraut
Genau diese Ausgangslage führte im Februar 2023 zur Gründung des ETH-Spin-offs Caterra. Wie es genau dazu kam, beschreibt Mitbegründer und Geschäftsführer Aurel Neff so: «Zu Beginn unserer Masterstudiums überlegten wir uns, was wir Schlaues mit Robotik machen könnten. Wir wollten nicht irgendetwas Entwickeln und anschliessend die passende Anwendung suchen, sondern mit unserem Projekt sofort einen Nutzen schaffen. Diesen hat man zum Beispiel, wenn man mit Hilfe von Robotik harte Arbeit ersetzt.» Dieser Gedanke führte die Master-Studenten in die Vorlesungen der Agronomen an der ETH, wo sie vieles über die Bio-Landwirtschaft und deren Probleme hörten. Daraus wuchs die Idee, einen Jät-Roboter zu entwickeln, der dem Unkraut den Garaus macht. Damit dieser möglichst lange arbeiten kann, entschieden sich die Jungunternehmer für einen neuen Ansatz. Anstatt wie andere Systeme das Unkraut auszuhacken und dabei aufwendig Masse zu bewegen, bestrahlen sie dieses mit einem Laser. Ein kurzer Impuls für den Bruchteil einer Sekunde genügt, um das Problem sprichwörtlich bei der Wurzel zu versengen. Das spart Energie und erhöht die Leistung der eingesetzten Akku-Packs. Umfangreiche Versuchsreihen an der Agroscope in Changins bestätigten die Wirksamkeit dieses innovativen Verfahrens.
Algorithmus unterscheidet Nutzpflanzen und Unkräuter
Der Laser spart aber nicht nur Energie, sondern Gewicht. Während ein Hack-Roboter je nach Version zwischen 300 bis 4000 Kilogramm wiegt, kommt der Jät-Roboter gerade einmal auf ein Gewicht von 150 Kilogramm. Diese Leichtigkeit sorgt für weitere Effizienz, wodurch die aktuelle Version bis zu zehn Stunden lang autonom arbeitet. «Mit PV-Panels könnten wir die Einsatzzeit um weitere drei bis vier Stunden erhöhen», sagt Aurel Neff. Zudem sei der Einbau zusätzlicher Batterien möglich, da es gewichtsseitig keine Limitierung gibt. Aber selbst mit der aktuellen Akku-Laufleistung schneidet der Jät-Roboter im Vergleich zum Menschen deutlich besser ab. Er benötigt weder Pausen für die Erholung noch für die Nahrungs- und die Flüssigkeitsaufnahme, wodurch er rund um die Uhr und sieben Tage die Woche dem Unkraut zu Leibe rücken kann. Wie bringt man aber einem Roboter bei, tausende von Unkräutern zu verifizieren und diese von Rüben, Kartoffeln oder Weizen zu unterscheiden? Die Antwort ist denkbar einfach und weist eigentlich schon den Weg zur Lösung. «Im Prinzip ist für den Bauern jede Pflanze, die keine Nutzpflanze ist, Unkraut», erklärt Aurel Neff. Diese Betrachtung vereinfacht die Entwicklung des Algorithmus deutlich, da lediglich Bilder von Pflanzen einzulernen sind, die der Laser verschonen soll. Aktuell sind im Programm des unermüdlichen Unkraut-Vernichters die Daten von drei Nutzpflanzen hinterlegt. Das Ziel ist es, dass dieser schon in naher Zukunft alle 38 in der Schweiz angebauten Reihenpflanzen erkennen kann. Für den Einsatz in anderen Ländern kann die Bibliothek später problemlos um weitere Nutzpflanzen ergänzt werden.
Aurel Neff, CEO Caterra AG
GPS-Zaun weist die Grenzen
Mit maximal 0,01 Metern pro Sekunde durch Kraut und Rüben erscheint auf den ersten Blick nicht sehr schnell. Doch die Frequenz und vor allem die Unermüdlichkeit machen dieses Tempo mehr als wett. «Der Mensch zupft auf Dauer nicht jede Sekunde ein Unkraut», ist sich denn auch Aurel Neff sicher.
Auf 24 Stunden hochgerechnet, bedeuten zehn Millimeter die Sekunde im Idealfall eine Strecke von 864 Metern, die der Jät-Roboter auf einer Breite von 150 beziehungsweise 180 Zentimetern von unerwünschten Pflanzen befreit. Diese 150 und 180 Zentimeter sind die Standardspurbreiten, mit denen Schweizer Landwirte Dämme und Beete für den Gemüseanbau anlegen und die Caterra für die Orientierung nutzt.
Damit der Dauerläufer nicht versehentlich das Nachbarfeld bearbeitet, weist ihn ein GPS-Zaun in die Grenzen. Erreicht er diese Einschränkung, wendet er automatisch und reiht sich in der daneben liegenden Spur ein, die er dann in entgegengesetzter Richtung bearbeitet. Durch die integrierte Fernanbindung ist es möglich, jederzeit und von überall her aufs System zuzugreifen, dieses zu steuern oder dessen Daten auszulesen.
Aurel Neff, CEO Caterra AG
Klemme mit grünem Hebel unterstützt Nachhaltigkeitsgedanke
Bislang gibt es erst Prototypen des Jät-Roboters. Gerade in dieser Entwicklungsphase ist es aber wichtig, elektrische Verbindungen schnell und einfach lösen zu können. «Am Anfang arbeiteten wir mit Schraubklemmen, diese waren allerdings in der Handhabung umständlich und lösten sich immer wieder», erzählt Manuel Strahm. Daher suchte der Entwicklungsingenieur zu Wago Kontakt, um Musterpackungen der 221-Klemmen zu erhalten. Im Einsatz erfüllten diese bislang absolut die in sie gesetzten Erwartungen. Selbst wenn es rüttelt und schüttelt, halten die Verbindungen sicher. Weil diese Qualität überzeugte, setzen die Jung-Unternehmer auch bei den Reihenklemmen auf Wago.
Inzwischen sind in den Prototypen die Verbindungsklemmen mit grünem Hebel verbaut. Diese stehen hinsichtlich Qualität der klassischen 221-Klemme in nichts nach und verfügen über die gleichen Zertifizierungen wie diese. Allerdings bestehen die neuen Klemmen zum Teil aus recycelten PET-Flaschen sowie bio-basierten Reststoffen aus Industrie und Haushalten, was den Verbrauch fossiler Ressourcen reduziert. Das ergänzt sich perfekt mit der Mission des Spin-off, das sich für eine nachhaltigere Welt engagiert.
221 Klemme mit grünen Hebeln
Caterra AG
Ziel des ETH-Spin-Offs ist es, die Kosten für die herbizidfreie Gemüseproduktion zu senken, in dem es das Jäten von Hand mit Hilfe von Robotern automatisiert. Im Vergleich zu am Markt erhältlichen Lösungen gräbt Caterra das Unkraut jedoch nicht aus, sondern versengt dieses mit einem gezielten Laserstrahl. Dadurch ist das System äusserst effizient und arbeitet aktuell bis zu zwölf Stunden lang autonom. Dieser Ansatz senkt die Kosten für die Bioproduktion, da er mehrere Saisonarbeitskräfte kompensiert und damit zugleich den administrativen Aufwand für deren Rekrutierung.
Kontaktperson
Markus Jost
Area Sales Manager Industry
Region Nordwestschweiz
Tel:. +41 (0)26 676 73 76
Mail: markus.jost@wago.com
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