Verticale landbouw kan verschillende problemen in één keer oplossen. Bovenal brengt het de groenteteelt naar stedelijke agglomeraties, waar de meerderheid van de wereldbevolking woont. Binnenshuis kun je het hele jaar door groenten produceren. Zelfs buiten het seizoen. Het vermindert het aantal transportbewegingen en de velden kunnen teruggegeven worden aan de natuur, wat de biodiversiteit ten goede komt.
Bestaande verticale landbouwsystemen zijn geautomatiseerd, maar vereisen nog steeds handmatig ingrijpen. Er is kunstmatige intelligentie (AI) nodig om vertical farming industrieel levensvatbaar te maken, zegt Markus Tauber, hoofd van het Cloud en CPS Security Research Center en hoofd van de masteropleiding Cloud Computing Engineering aan de Universiteit van Toegepaste Wetenschappen Burgenland (Oostenrijk). Hij is momenteel betrokken bij het Agri-Tec 4.0 onderzoeksproject. Doel is de verticale landbouw naar een hoger niveau te tillen.
Vertical Farming maakt het mogelijk overal ter wereld groenten te kweken. Het kleine experimentele systeem dat speciaal voor het onderzoeksproject is ontwikkeld, laat zien hoe dit mogelijk is. het gaat om een kubus van 2,5 x 3 x 2,5 meter, die dubbelwandig en lichtdicht is. Er is geen zonlicht nodig in de kubus. Licht- en temperatuursomstandigheden worden automatisch geregeld. Omdat de teelt gebaseerd is op aërodynamica is zelfs geen aarde nodig. En slechts een fractie van de hoeveelheid water die bij conventionele teelt noodzakelijk is. Aeroponics betekent dat de wortels van de planten in de lucht hangen en besproeid worden met water. Het water wordt gemengd met voedingsstoffen en de planten groeien veel sneller dan in de grond.
Kunstmatige intelligentie
De irrigatierobot in de kubus is afkomstig van industriepartner PhytonIQ Technology. Het jonge bedrijf ontwikkelt zelf de technologieën van zijn systemen en biedt deze ook te koop aan. Medeoprichter Martin Parapatits vertelt over de wereldwijde trend om verticale landbouw en kunstmatige intelligentie te combineren. “Er wordt door grote spelers geïnvesteerd. Maar er is nog geen kant-en-klare oplossing”. De groenteteelt vraagt om wendbare en flexibele productiestructuren, die niet met traditionele automatisering kunnen worden bereikt. Tauber en zijn team brengen hun expertise op het gebied van sensoren en sensornetwerken in. Ze hopen computeralgoritmes te gebruiken om een optimale plantengroei te garanderen. Ze willen ook de veiligheid van de gegevens garanderen.
“Verticale landbouw brengt voorzieningszekerheid en heeft alleen zin op grotere schaal. Op grote oppervlakten kun je niet elke plant met de hand aanpassen. We beantwoorden de wiskundige vragen op basis van de computerwetenschap.” Markus Tauber
De eigenschappen van planten versterken
De eisen die gesteld worden aan de intelligente beheersing van de verticale landbouw zijn talrijk. Naast de reeds genoemde parameters van licht, temperatuur, voedingsstoffen en irrigatie, moet ook de wind een rol gaan spelen. “Wind is een natuurlijke stressfactor voor planten. Het zorgt ervoor dat de stam van de plant sterker wordt en de plant rechtop staat, legt Parapatits uit. “Een soortgelijk effect kan worden waargenomen bij zonnestraling. Als een plant in de schaduw staat, groeit hij zo snel mogelijk naar de zon toe, naar boven of naar de zijkant. Deze eigenschap kan ook worden gebruikt in de verticale landbouw, door deze gecontroleerd toe te passen. Onder invloed van wind of verschillende golflengten van licht kunnen planten klein en bossig worden gehouden of hoog en slank worden gekweekt. Tegelijkertijd droogt de luchtbeweging de omgeving van de planten uit. Dit vermindert het risico op schimmelvorming en stimuleert de plant om uit te ademen”.
Model analoog aan het menselijk zenuwstelsel
Hij en zijn team richten zich op kleine controlelussen die functioneren als het zenuwstelsel in het menselijk lichaam. Als voorbeeld noemt hij de Fight and Flight Response (Walter Cannon, 1915). Dit stelt het lichaam in staat om te reageren op gevaar. Wanneer het stresshormoon toeneemt, stroomt er meer bloed naar de spieren dan in het spijsverteringsstelsel. Zodra het stresshormoon daalt, wordt de bloedstroom weer genormaliseerd en stroomt het bloed terug naar het spijsverteringsstelsel. Dit effect kan ook in planten worden waargenomen, zegt Tauber: “Er zijn parameters die het milieu beïnvloeden en een reactie vereisen. Als de plant te dun is, heeft hij meer wind nodig. In onze kubus is dit een autonoom element.”
Bewaking met beeldgegevens
Bij de mens is het zenuwstelsel verantwoordelijk voor de controle van de reacties van het lichaam. In het zelfaanpassende systeem van de regelkring is het de MAPE-K-architectuur waarin alle te ondernemen acties gebaseerd zijn op vijf punten: monitoring, analyse, planning en uitvoering, en bestaande kennis. “In het geval van windsturing volgen we de ontwikkeling van de installatie met behulp van de sensor en onze kennis. We gebruiken hiervoor beeldgegevens. We leiden de informatie af uit de dikte en de helling van de steel. Vanaf een bepaalde dikte en helling is er weer meer wind nodig”, legt Tauber uit.
Open Source Project
Agri-Tec 4.0 gaat over fundamenteel onderzoek op het gebied van verticale landbouw. Het richt zich op genetwerkte autonome elementen (control loops) en de mate waarin deze gecombineerd kunnen worden met andere technologieën – zoals machinaal leren en neurale netwerken. In samenwerking met het Oostenrijkse AIT-Instituut voor Technologie moet worden onderzocht of bij het gebruik van MAPE-K aan de veiligheidscriteria kan worden voldaan. “Veiligheid en vertrouwen in gegevens is belangrijk”, benadrukt Tauber. De TU Wenen draagt bij met haar expertise op het gebied van Internet of Things (IOT)-infrastructuur. Het project heeft een looptijd van twee jaar. De resultaten worden open source gepubliceerd.
Aeroponics als het meest waterbesparende systeem
De industriële partner PhytonIQ Technology wil de resultaten gebruiken om kunstmatige intelligentie te integreren in zijn industriële software. Het zal nog vier jaar duren voordat het systeem is getest en op de markt kan worden gebracht. Het bedrijf produceert Wasabi en Microgreen voor klanten uit de horeca en de gezondheidszorg. De fabriek heeft een oppervlakte van 1.200 vierkante meter en de bedden lopen over drie tot vijf verdiepingen.
Voor Parapatits staat het aspect waterbesparing centraal. Ten eerste omdat er regio’s zijn die erg droog zijn en ten tweede omdat water een steeds schaarser wordende hulpbron is. Aeroponics is momenteel het meest waterbesparende systeem. Een effect dat nog groter wordt bij een re-circulatiesysteem: het met voedingsstoffen verrijkte water blijft enkele weken in gebruik in het systeem. Parapatits: “We werken al aan verschillende oplossingen om het water nog vaker te kunnen gebruiken”. Omdat verschillende planten verschillende eisen stellen, wordt ook gebruik gemaakt van hydrocultuur en vliestechnologie.
Ook interessant:
Verse groenten uit de supermarktboerderij om de hoek
Food is fictie, maar vertical farming een feit
