Entwicklung von Geräten mit Sensorik zur schnellen, nicht invasiven Analyse des Versorgungszustandes von Pflanzen
Projektdurchführung
Phytoprove Pflanzenanalytik UGGeorg-Voigt-Str. 14 - 16
60325 Frankfurt
Zielsetzung
Düngemittel und Wasser werden im Pflanzenbau meist nicht bedarfsgerecht ausgebracht, was zur Fehlversorgung der Pflanzen und zu Umweltproblemen durch Überdüngung der Böden mit Gewässer- und Grundwasserbelastung führt und die menschliche Gesundheit gefährdet. Der Stickstoffkreislauf, insbesondere der Stickstoffeintrag in die Umwelt, stellt neben dem Verlust genetischer Vielfalt das größte Problem beim Überschreiten der planetaren Belastbarkeitsgrenzen dar. Auf Grundlage einer neuartigen Messmethode, die auf der Analyse von Änderungen des Photosynthese-Prozesses von Pflanzen beruht, werden innovative, mobile Messgeräte zur schnellen, nicht-invasiven Bestimmung von Stickstoff-Düngestatus und Wasserversorgung von Pflanzen entwickelt. Die Anwendung ermöglicht 1) Einsparung von Ressourcen (Dünger, Wasser) und Kostensenkung, 2) höhere Erträge durch optimierte Versorgung, 3) Verringerung der Umweltbelastung durch Nitrat, 4) Vermeidung nitratbelasteter Lebensmittel. Handmessgeräte sollen bis zur Marktreife geführt und die Anwendung für den Einsatz an Landmaschinen weiterentwickelt werden.
Arbeitsschritte
Ausgehend von einem Labormuster (Technologischer Reifegrad 4) inklusive App wurde während der Projektlaufzeit in Zusammenarbeit mit dem Design-Studio Wagner (Frankfurt am Main) sowie dem Fachgebiet für Adaptive Lichttechnische Systeme und Visuelle Verarbeitung der TU-Darmstadt das Produktdesign (Gehäuse und Hardware) für die Handmessgeräte entwickelt und in ein Funktionsmuster umgesetzt. In einer Erprobungsphase bei Pilotkunden wurde die Stickstoff-Düngestatusbestimmung für den Einsatz in relevanter Einsatzumgebung erfolgreich im Gemüsebau getestet (TRL 6). Basierend auf den Erkenntnissen dieser Tests wurde die Elektronik und Firmware weiter optimiert und eine Software zur Kalibrierung der Handmessgeräte programmiert.
Ergebnisse
Im 24-monatigen Förderzeitraum von Anfang August 2020 bis Ende August 2022 wurde ausgehend vom Technologiereifegrad 4 (Labormuster) die Elektronik und Sensorik des Handmessgerätes zur schnellen, nicht-destruktiven Messung des Stickstoff-Versorgungszustands von Pflanzen bis zum Technologie- reifegrad 6 (Prototyp) entwickelt und erfolgreich sowohl unter definierten Bedingungen in Klimakammern als auch in relevanter Umgebung im Gemüseanbau an Pflanzen getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass i) die Messung der Stickstoffversorgung der Pflanzen mit unserem Handgerät zuverlässig ist, da die Werte den zugegebenen Düngermengen entsprechen, und ii) die Methode spezifisch für die Stickstoffversorgung ist, da Pflanzen, die mit stickstofffreiem Medium versorgt wurden, ähnliche Werte aufwiesen wie Pflanzen, die ohne Dünger bewässert wurden, während phosphatfreies Medium ähnliche Werte wie Vollmedium ergab. Auch an Pflanzen, die unter Anbaubedingungen wuchsen, konnte die Stickstoffversorgung bestimmt werden. Bereits im frühen Wachstumsstadium Pflanzen konnten Pflanzen mit geringer Stickstoffversorgung identifiziert werden, obwohl sich die Unterversorgung noch nicht sichtbar manifestierte. Auf dieser Basis kann durch gezielte, dem Bedarf entsprechende Düngergaben die Unterversorgung rechtzeitig wieder ausgeglichen werden.
Aufgrund der in den letzten Jahren zunehmenden Dürreperioden und der damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Landwirtschaft, speziell der verhinderten Aufnahmefähigkeit von Dünger bei Pflanzen, haben wir uns dazu entschlossen, den Messkopf unseres Handgerätes um einen weiteren optoelektonischen Sensor zu erweitern. Dadurch lässt sich die vom Chlorophyll emittierte Fluoreszenz aufzeichnen, ein zweites Messverfahren, das parallel zur Düngestatusbestimmung die zeitsynchrone Messung des Wasserstatus, der Leistungsfähigkeit und der Vitalität der Pflanze ermöglicht. Somit kann mit nur einem Messvorgang sowohl der Dünge- als auch Wasserbedarf der Pflanzen bestimmt werden, sodass bedarfsgerecht gedüngt und bewässert werden kann. Die Elektronik und Firmware wurde entsprechend weiter optimiert und eine Software zur Kalibrierung der Handgeräte programmiert.
Die technische Ausstattung, das Layout und Design des Handgerätes wurde durch unsere Partner Fachgebiet für Adaptive Lichttechnische Systeme und Visuelle Verarbeitung der TU-Darmstadt und den Industriedesigner Studio Wagner:Design entwickelt und verwirklicht.
In Zusammenarbeit mit der Firma Circle Kommunikation wurde der Produktname yield-e entwickelt und als Wortbildmarke beim Deutschen Patent- und Markenamt eingetragen (302022200656). Entsprechend wurden die Namen yield-e pro, yield-e sens und yield-e motion für die geplanten Produkte gewählt.
Das internationale Patent für unser Messverfahren zur Bestimmung der Stickstoffversorgung von Pflanzen (Patent Nummer: WO2020253915) wurde durch unseren Patentanwalt Dr. Langfinger & Partner (Frankfurt am Main) eingereicht. Die europäische Phase wurde im März 2021 eingeleitet.
Öffentlichkeitsarbeit
Firmen- und Produktvideo wurde im März 2021 produziert und die Phytoprove-Webseite mit neuem Design angelegt (www.phytoprove.com). Nach zahlreichen Präsentationen und Auszeichnungen wurde Phytoprove von der Gründerinitiative „Passion for Business“ in die Top 50 Start-ups 2020 aufgenommen. Mit Platz 13 im Gesamt-Ranking war Phytoprove das am besten ausgezeichnete Agrartechnologie-Unternehmen. Phytoprove erreichte im Mai 2022 bei „Kick-Start Green Innovations“ der Landeskampagne Start-up BW des Landes Baden-Württemberg unter 25 von einer Jury aus 80 Bewerbungen zur Teilnahme ausgewählten Gründerteams als „Green Innovator 2022“ den öffentlichkeitswirksamen 3. Platz.
Phytoprove HomepageFazit
Durch die finanzielle Unterstützung durch das DBU – Green Start-Up Sonderprogramm konnte die Weiterentwicklung der yield-e Handgeräte für die nicht-destruktive Analyse des Versorgungszustandes von Pflanzen sowie die weitere Firmenentwicklung von Phytoprove entscheidend vorangebracht werden. Das bestehende Netzwerk an Partnern, die Phytoprove in der Entwicklung und Umsetzung der Prototypen unterstützen, wurde während der Projektlaufzeit um wichtige Kooperations- und Geschäftspartner erweitert.