Sensoren met geïntegreerde fotonica als sleutel voor onze voedselgarantie, ook in de toekomst

By Adrie Boxmeer

Sneller, lichter, duurzamer en onder aan de streep uiteindelijk ook goedkoper: de voordelen van geïntegreerde fotonica zijn aanzienlijk, voor een breed scala aan toepassingen. En Nederland speelt mondiaal een belangrijke rol in de ontwikkeling en toepassing van deze sleuteltechnologie. De afgelopen jaren is onder aanvoering van PhotonDelta een stevig fundament gelegd onder het Nederlandse geïntegreerde fotonica ecosysteem. Eén belangrijk toepassingsgebied van deze sleuteltechnologie is te vinden in de precisielandbouw; essentieel voor onze voedselgarantie. Lees hier ook alle andere afleveringen in deze serie.

In een wereld met bijna 10 miljard mensen in 2050 en een exponentieel stijgende vraag naar landbouwproducten kunnen we niet zonder precisielandbouw. Daarbij krijgen planten of dieren precies de behandeling die ze nodig hebben, met grote nauwkeurigheid bepaald dankzij een combinatie van technologieën zoals robotica en geminiaturiseerde biosensoren. Hierdoor kan de productie worden geoptimaliseerd, wat leidt tot duurzamere gewassen, verhoogde productie en een grotere voedselveiligheid: een absolute voorwaarde voor een toekomstbestendige voedselvoorziening.

Geïntegreerde fotonica is daarbij essentieel. Fotonische chips zijn lichter, kleiner en daardoor schaalbaarder dan andere oplossingen. Sensorsystemen die draaien op geïntegreerde fotonica zorgen er in de agrarische sector en de levensmiddelenindustrie voor dat aan alle eisen rond veiligheid, gezondheid en duurzaamheid kan worden voldaan. 

Nederland heeft inmiddels veel ervaring opgebouwd met geïntegreerde fotonica in de precisielandbouw. Harrij Schmeitz, directeur van de Fruit Tech Campus in Geldermalsen, ziet er dagelijks de bewijzen van. “Er zijn enorme kansen voor fotonica in de agrifood als we de technologie kunnen vertalen naar praktische toepassingen waarmee zowel aan de buiten- als de binnenkant de staat van het product kan worden onderzocht.”

Hij noemt een voorbeeld van geïntegreerde fotonica bij fruitteler Fruitmasters in Geldermalsen: “Daar maken ze met op zich relatief simpele camera’s in milliseconden 140 foto’s van elke appel die passeert op de sorteerband. Dat gebeurt in 3D, volautomatisch. Het systeem haalt de slechte appels eruit, voordat ze verpakt worden voor de afnemers. Vroeger gebeurde dat handmatig, dus dat is een hele verbetering.”

Boeren leggen tegenwoordig veel data vast, die de boer in staat stelt vooruit te plannen en te leren om planten op het juiste moment precies de juiste hoeveelheid water, licht en voedingsstoffen te geven. Sensoren met fotonische chips zorgen er niet alleen voor dat de data beschikbaar komt, maar ook dat de boer deze vervolgens kan inzetten voor een betere behandeling van zijn gewassen of dieren. Ook is inmiddels de eerste robot geïntroduceerd die met behulp van cameratechnologie zelf bepaalt hoeveel hij het gewas moet bespuiten. Die rekent dat razendsnel uit als hij langs het gewas rijdt.” 

Volgens Schmeitz brengt fotonica in de agrifoodsector een omslag teweeg naar plantgestuurd en boomgestuurd telen. “Met ledverlichting kun je in kassen de groei van het gewas stimuleren. Door het gebruik van verschillende kleuren kun je dat versnellen. In het Westland zie je paarse kassen, want een plant groeit beter op rood en blauw licht. Daardoor hoef je ook minder licht te gebruiken wat een besparing voor de teler oplevert. 

Duurzaam produceren

Op diverse plaatsen in Nederland vindt onderzoek plaats naar de toepassing van fotonica in de agrifood, bijvoorbeeld in Wageningen bij OnePlanet Research Center (een samenwerking van WUR, Radboud Universiteit en imec) en op de TU Eindhoven.

In Wageningen doen Lex Oosterveld en Peter Offermans onderzoek naar het gebruik van fotonica in de levensmiddelenindustrie en bij de teelt van groenten en fruit. Oosterveld: “Onze technologische innovaties zijn gericht op het duurzaam produceren van nutritioneel hoogwaardig voedsel en het tegengaan van voedselverspilling. Daarom ontwikkelen we technologie waarmee de productkwaliteit van voedsel direct kan worden gemeten, zonder dat het in een laboratorium geanalyseerd hoeft te worden. Daardoor kunnen we het productieproces direct bijsturen.” Een voorbeeld is het meten van glucose tijdens fermentatieprocessen of in fruit. “De volgende stap is dat dit op basis van realtime data volautomatisch gebeurt. Daarmee optimaliseren we het productieproces en wordt voedselverspilling vermeden.”

Stikstof

OnePlanet Research Center richt zich ook op de stikstofproblematiek door de ontwikkeling van sensorsystemen om de milieu-impact in en om steden te meten, zoals in bedrijven en stallen. Offermans: “Het is belangrijk om de emissie van stikstof nauwkeurig in kaart te brengen, zodat je op basis van deze data de uitstoot kunt reduceren. Daarvoor hebben we een prototype van een sensor ontwikkeld waarmee we de hoeveelheid nitraat, een indicatie voor de aanwezigheid van stikstof, via licht van verschillende golflengtes in water kunnen meten.” En inderdaad: die sensor draait op optische chips.

Ook voor de teelt van groenten en fruit zijn fotonische meetsystemen relevant. Offermans: “Een voorbeeld is het meten van rijpheid van fruit, zodat het product op het optimale moment geoogst kan worden en het product op het moment van consumptie een optimale kwaliteit heeft en voedselverlies wordt voorkomen. Sensoren gebaseerd op geïntegreerde optische circuits lenen zich goed voor toepassingen in de agrifood sector, omdat ze geschikt zijn voor miniaturisatie, het combineren van verschillende sensortypen en voor het schaalbaar produceren van onze meetoplossingen.”

Tomaten en koeienmelk

De elementen die geïntegreerde fotonica volgens Oosterveld en Offermans zo belangrijk maken, komen niet toevallig ook samen in de oplossingen van start-up MantiSpectra. Met PICs die klein, robuust, schaalbaar en op maat gemaakt zijn produceert deze spinoff van de TU Eindhoven sensoren die kunnen helpen bij het bepalen van de gezondheid van dieren en planten. 

CEO Maurangelo Petruzzella heeft daartoe met zijn team een praktische toepassing ontwikkeld. “Aan de buitenkant van groenten en fruit kun je vaak niet zien wat het beste moment is om te oogsten. Landbouwers kunnen vertrouwen op jarenlange ervaring en op hun instinct, maar er kan van alles misgaan. Als je te vroeg plukt, hebben de producten misschien nog niet hun maximale smaak bereikt, als je te laat plukt kan er bederf optreden. Fotonica is hierbij een goed hulpmiddel.”

Met MantiSpectra heeft Petruzzella na vele jaren van onderzoek met enkele collega’s een optische chip ontwikkeld die met infrarood licht de rijpheid van tomaten controleert. “We willen deze chip uitbouwen tot een handzaam apparaatje waarmee tuinbouwers de kas in kunnen gaan en de afzonderlijke tomaten kunnen controleren, dus nog voor de oogst. Tot nu toe moet je een tomaat plukken en opensnijden om de versheid te controleren. Als hij dan rijp is, heb je er onnodig in gesneden. Dat geldt uiteraard ook voor als hij nog niet rijp is. Dan kun je hem beter aan de plant laten hangen.”

Maar het gaat niet alleen om fruit. De sensor is bijvoorbeeld ook geschikt om de kwaliteit van ongepasteuriseerde melk te controleren en na te gaan of koeien gezondheidsproblemen hebben. De MantiSpectra chip-sensor detecteert infrarood licht en kan met behulp van een algoritme snel vaststellen of de melk wel goed is. Dat is niet alleen secuurder en sneller, maar het voorkomt ook allerlei extra kosten die opgaan aan ingewikkelde traditionele kwaliteitscontroles en verspilling van goede melk. “Het probleem is dat de kwaliteit van de melk meestal pas wordt gemeten tijdens de verwerking ervan,” legt Petruzzella uit. “Als je in staat bent om dit direct bij de boeren te meten, dan weet je ook wat de gezondheidsstatus van de koe is.”

Onderzoek, productie en toepassingen

Wat Maurangelo Petruzzella met MantiSpectra laat zien is een goed voorbeeld van de vele toepassingen die de geïntegreerde fotonica te bieden heeft. Juist de gecombineerde kracht in zowel het primaire onderzoek als in de productie en het gebruik voor specifieke toepassingen maken Nederland op dit moment tot een van de centra in de mondiale fotonica. Het missiegedreven innovatiebeleid wordt erin zichtbaar, zowel op het niveau van de individuele boer als voor de duurzaamheidsambities van onze planeet. Nederland heeft, óók in de foodtech-sector, alles in zich om die leidende rol te behouden. Maar daarvoor zijn wel ook wat vervolgstappen nodig, zegt PhotonDelta-directeur Ewit Roos. Denk daarbij aan investeringen rond onderzoek, de bouw van grotere foundries (wafer-fabrieken) en hulp aan beloftevolle start-ups. “Op die manier kunnen we de concurrentie vóór blijven en de beoogde strategische autonomie van Europa op geïntegreerde fotonica versterken.” 

Dat vergt wel een lange adem. Oosterveld en Offermans verwachten dat het nog zo’n vijf jaar zal duren voordat de grote fotonische doorbraak in de agrarische sector plaatsvindt en nog zo’n tien jaar voordat dit gebeurt in de levensmiddelindustrie. Oosterveld: “Daar gaat het vaak om gecompliceerde industriële processen die minder makkelijk zijn aan te passen, vandaar dat de doorbraak daar wat langer op zich zal laten wachten.”

De Nederlandse geïntegreerde fotonicasector staat intussen klaar voor de fase van verdere industrialisatie, waarbij schaalvergroting (ofwel: kostenverlaging per PIC) en integratie op de bestaande grote productieplatformen van de semiconductor industrie aan de orde zijn. Voor Ewit Roos is die ontwikkeling duidelijk: “De wereld ziet deze potentie en investeert daarin. Wij als ecosysteem maar ook in Europees verband, sorteren daar natuurlijk op voor door te excelleren en ons te concentreren op waar goed in zijn. Zo verzekeren we ons van een positie in die wereldwijde waardeketens en zijn we een aantrekkelijke vestigingsplaats voor initiatieven die zich daarbij willen aansluiten.”