Weltraumtechnik aus Jena und Freiburg Wie die ISS der Landwirtschaft hilft: Deutsche Technik gegen Wasserverschwendung

Raumfahrt bringt schöne Bilder und fasziniert viele Menschen. Aber welchen realen Nutzen hat sie eigentlich? Das soll gerade wieder ein deutsches Experiment zeigen, das in Jena und Freiburg entwickelt und gebaut wurde. Dieses geht am 18. Februar auf die Reise zur ISS, um den Bauern in Zukunft bei der Optimierung der Feldarbeit zu helfen – und um ganz nebenbei den Verbrauch von Frischwasser zu minimieren. Technik und Forschung Made in Germany.

Dieses Bild zeigt eine Landkarte vom Weltraum aus aufgenommen. Der obere Bereich zeigt eine visuelle Hitzekarte (Heatmap Visual) mit blauen, roten, orangen und grünen Bereichen in Kachelform. Der untere Bereich zeigt wie die Landschaft für das menschliche Auge aussieht.
Mit visuellen Hitzekarten kann man erkennen, welche Landbereiche von Trockenheit bedroht sind. Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI

Wussten Sie, dass 70 Prozent des weltweiten Aufkommens von Frischwasser für die Landwirtschaft verwendet werden. Diese Zahl hat das FAO, die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen veröffentlicht. Marius Bierdel, der Mitgründer und CTO des deutschen Raumfahrtunternehmens ConstellR, bewegte das und eine weitere Zahl zum Handeln, erzählt er MDR WISSEN im Interview. 

Die andere Zahl, die mich nachdenklicher gemacht hat, war, dass 60 Prozent davon verschwendet werden. Und das ist echt krass.

Marius Bierdel, CTO von ConstellR
Ein Porträt von Marius Bierdel, dem CTO von ConstellR.
Marius Bierdel, CTO von ConstellR Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI

ConstellR ist ein 2020 gegründetes Unternehmen aus Freiburg, das für die nächsten vier bis acht Monate seine Technik auf der Internationalen Raumstation ISS testen darf. Dabei handelt es sich um ein Spiegelteleskop, das man gemeinsam mit den Kollegen und Kolleginnen aus Jena vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie dem Start-up SPACEOPTIX entwickelt hat. Ebenfalls involviert in das Projekt ist das Freiburger Fraunhofer Ernst-Mach-Institut EMI für Kurzzeitdynamik. Die anderen beiden Komponenten des Projektes sind eine "Thermale-Infrarot-Kamera und auch noch ein Minicomputer, der die Daten sozusagen verarbeiten kann", so Bierdel. 

Forschung für die globale Landwirtschaft

Am Samstagabend (19. Februar) gegen 18.39 Uhr (MEZ) soll der Prototyp mit einer ukrainisch-amerikanischen Antares-Trägerrakete von den USA aus in den Weltraum aufbrechen. Mit der Technik möchte man die Landoberflächentemperaturen vermessen, um "mit diesen Daten zum Beispiel den Gesundheitszustand der Pflanzen viel besser zu detektieren – anders als es beispielsweise mit dem für das Auge sichtbaren Bereich der Fall wäre", erklärt der Raumfahrt-Unternehmer Bierdel.

Satellitenaufnahme vs. Hitzekarte

Den Hitzefluss kann man vom Weltraum aus aufzeichnen. Dadurch lassen sich auch Hitzeinseln in den Städten erkennen.

Eine visual Satellitenaufnahme einer Stadt.
Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI
Eine visual Satellitenaufnahme einer Stadt.
Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI
Eine weitere visuelle Satellitenaufnahme einer Stadt, diesmal jedoch als Hitzekarte.
Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI
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Den Gesundheitszustand der Pflanzen vom Weltraum aus besser zu erkennen, klingt etwas utopisch, ist aber möglich und hat einen sehr praktischen Nutzen. Denn dadurch kann sehr viel Frischwasser in der Landwirtschaft eingespart werden. Dabei umfasst ein Pixel eine Fläche von 50 mal 50 Metern untersuchtem Land. ConstellR kann damit Daten liefern, die zeigen an welcher Stelle beispielsweise mehr bewässert werden muss, als anderswo – und das frühzeitig. 

Wenn wir zum Beispiel uns Pflanzen anschauen, die wenig Wasser nach einem gewissen Zeitraum bekommen haben, dann sind die irgendwann – vielleicht so nach zwei Wochen oder so – welk. Die Blattfarbe verändert sich, und dann ist es aber leider schon oft zu spät, um dann noch gegenzusteuern.

Marius Bierdel, CTO von ConstellR

Was will ConstellR anders machen?

Das Team von ConstellR arbeitet an seiner Technik in einem Reinraum. Zwischen den beiden Forschern und der Satellitentechnik befindet sich eine Scheibe.
Das Team von ConstellR arbeitet an seiner Technik in einem Reinraum. Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI

Die Technik von ConstellR schaut sich dabei nicht die Blattfarbe der Nutzpflanzen an, sondern deren Oberflächentemperatur. Dafür wurde die Thermale-Infrarot-Kamera entwickelt und auf ein Format verkleinert, dass im vollen Betrieb inklusive Minicomputer und Teleskop gerade einmal zwei Milchkartons groß sein soll. Auf der ISS soll somit der Prototyp einer CubeSat-Flotte – einer Konstellation aus kleinen Satelliten – getestet werden. 

Als Sinnbild für die Funktion der Technik nimmt Bierdel den menschlichen Körper. Wenn man im Sommer Sport machen würde, dann sollte man vorher genug getrunken haben. Bei Anstrengung fängt der Körper an zu schwitzen und kühlt uns runter. Wenn man nun aber zu viel Sport macht oder zu wenig getrunken hat, überhitzt der Körper. Diesen Temperaturanstieg kann man mit Infrarotkameras beobachten. Das gleiche Prinzip lässt sich auf Pflanzen übertragen:

Solange die Pflanzen im Boden Wasser haben, können sie das Wasser aus dem Boden mit ihren Wurzeln transportieren, auf die Blätter und über die Blätter das Wasser abgeben und damit auch die Temperatur regulieren. Dadurch können sie sich kühlen.

Marius Bierdel, CTO von ConstellR
Die Satellitentechnik von ConstellR zusammengebraut. Ein zwei Milchkarton großer Satellit mit einer thermalen Infrarot-Kamera, einem Spiegelteleskop und einem Minicomputer – alles hinter einer schwarzen Front vereint. Der Satellit steht auf einem Regal.
Die Satellitentechnik von ConstellR zusammengebraut. Ein zwei Milchkarton großer Satellit mit einer thermalen Infrarot-Kamera, einem Spiegelteleskop und einem Minicomputer – alles hinter einer schwarzen Front vereint. Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI

Sobald die Wurzeln kein Wasser mehr auf die Blattoberflächen transportieren können, wird das natürliche Kühlsystem gestört. Zudem wird der Nährstofffluss vom Boden in die Pflanzen unterbrochen. Die Temperatur auf der Pflanzenoberfläche nimmt damit zu und ohne Wasserzufuhr wird die Pflanze in wenigen Tagen oder Wochen eingehen. 

Mit den Daten von ConstellR können Analysten Früh-Warnsysteme verbessern. Deren Kunden, seien es lokale Landwirte, Lebensmittelkonzerne oder staatliche Einrichtungen, können die Analytikfirmen dann sagen: "Es wäre an der Zeit, eure Felder dort, da und da zu bewässern", so Bierdel.

Eine kleine Satelliten-Flotte für das Klima

Bis Ende 2023 möchte man die ersten vier Satelliten mit dieser Technik in den erdnahen Orbit auf einer Höhe von rund 550 Kilometern platzieren. In dieser Höhe arbeiten auch das Hubble-Weltraumteleskop oder die Internet-Satelliten von Starlink. Die ISS fliegt in einer Höhe von etwa 400 Kilometern. 

Mit diesen vier Satelliten soll man dann bereits tägliche Daten liefern können. Die globale Abdeckung sei damit zwar noch nicht ganz gewährleistet. Bis 2027 soll die Konstellation auf insgesamt 16 Satelliten erweitert werden. Damit wäre der gesamte Globus abgedeckt. Je mehr Satelliten, desto öfter könnte man einen Ort überfliegen. Das sei besonders für Landwirte interessant, denn die wollen ihre Daten am liebsten alle zwölf Stunden geupdated haben, erörtert Bierdel. 

Ein Porträt von Cassi Welling, dem COO von ConstellR.
Cassi Welling, COO von ConstellR Bildrechte: ConstellR, Frauenhofer EMI

Eine globale Abdeckung sei wichtig, weil der Sitz der Kunden nicht gleichbedeutend ist mit dem Standort der Felder, verdeutlicht Cassi Welling. Sie ist der Chief Operating Officer (COO) von ConstellR und somit für das operative Geschäft zuständig. Das sind dann unter anderem Firmen, die beispielsweise auf der gesamten Welt Kartoffelfarmen betreiben. Die können dann verschiedene Regionen miteinander vergleichen und vielleicht sagen: 

Okay, hier gibt es ein Risiko, hier muss ich einschreiten und unsere Logistik irgendwie ein bisschen anpassen.

Cassi Welling, COO von ConstellR

Weitere Forschung für die ISS

Das neue Teleskop ist jedoch nur eines von vielen neuen Experimenten, die am 19. Februar starten. Bei der CRS-2 NG-17 Mission fliegen außerdem ein Colgate-Palmolive-Experiment (Thema: Minderung der Hautalterung) mit; für eine Studie wird ein Medikament getestet, mit dem man die Auswirkungen auf Brust- und Prostatakrebszellen untersuchen werden sollen; und neue Technik, die das Pflanzenwachstum im All mit Video- und Standbildern beobachten soll, ist an Bord. Außerdem wird eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie auf der Internationalen Raumstation getestet, die extremen Temperaturen standhalten soll.

Alexander Gerst auf der ISS 6 min
Bildrechte: MDR Fernsehen
rotierende Raumstation 5 min
Bildrechte: IMAGO / Science Photo Library