Bei den Stichwörtern „Bauernhof“ und „Technik“ fällt den meisten zuerst der Traktor ein. Dann vielleicht die Mähmaschine und eventuell noch die Güllespritze. Aber Satelliten? Wohl kaum. Dabei nutzt eine stetig steigende Zahl deutscher Landwirte so ziemlich jeden Service, der derzeit im Orbit verfügbar ist – ganz gleich ob Kommunikation, Navigation, Wetter- oder Erdbeobachtung. Die Erntehelfer im Orbit steuern Maschinen, leiten Daten weiter und warnen vor Unwettern und liefern wertvolle Informationen über den Zustand der Felder und Böden. Raumfahrttechnologie steht im Zentrum von Landwirtschaft 4.0 und ist inzwischen fast so selbstverständlich wie der Traktor – der in vielen Betrieben übrigens „Schlepper“ genannt wird.
Besonders das europäische Klima- und Umweltbeobachtungsprogramm Copernicus sammelt wertvolle Daten für Landwirte – und stellt sie kostenlos zur Verfügung. Von den sechs Satellitenmissionen, die das Herzstück des Programms bilden, sind es vor allem die Sentinel-1 und Sentinel-2-Satelliten, die durch ihre Instrumente, die hochauflösenden Daten und ihre hohe Wiederkehrrate perfekt geeignet sind, landwirtschaftliche Flächen zu beobachten.
Die im April 2014 und April 2016 ins All gestarteten Sentinel-1-Satelliten haben ein bis auf fünf Meter hochauflösendes C-Band-Radar-Instrument mit synthetischer Apertur (SAR) an Bord. Damit können sie perfekt die Struktur des Erdbodens abbilden, Bodenfeuchte erkennen und Veränderungen in der Bodenstruktur, wie zum Beispiel beim Pflügen. Und das rund um die Uhr und auch bei dichter Wolkendecke.
Die Sentinel-2-Satelliten sind seit Juni 2015 und im März 2017 im Orbit. Sie sammeln mit optischen Multispektralkameras Daten im sichtbaren und nahinfraroten Spektrum. Für die Landwirtschaft kommt es dabei vor allem auf die beiden Nahinfrarotkanäle an. Damit lässt sich der Chlorophyll- und Wassergehalt erkennen. Anhand dieser Daten kann man Rückschlüsse über Wachstum und Gesundheitszustand der Pflanzen ziehen – und das punktgenau mit einer Auflösung von zehn mal zehn Meter. Auch die Biomasse lässt sich so erkennen.
Wenn man genau weiß, wo die Pflanzen gut wachsen und wo nicht, wo Nährstoffe oder Wasser gebraucht werden und wo nicht, kann man effizienter und ressourcenschonender säen, düngen und wässern. Der Einsatz von Pflanzenschutz lässt sich damit genau planen, und Futterwert und Biomasse der Pflanzen bestimmen – und damit der besten Erntetermin.
Satellitendaten allein reichen nicht
Mit den Rohdaten allein können die meisten Landwirte jedoch nichts anfangen. Hier kommen Unternehmen wie die Münchner Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH in Spiel. „Ich sehe was, was du nicht siehst“ ist das Motto der 1995 von Heike Bach gegründeten Firma. Damals war es eines der ersten deutschen Unternehmen im Markt. Heute hat Vista 28 Mitarbeiter und ist in mehr als 25 Ländern aktiv.
„Seit es die Sentinel-Satelliten gibt, ist vieles leichter“, sagt Bach. „Früher mussten wir für jedes Satellitenbild zahlen. Mehr als zwei oder drei waren selten drin. Heute nutzen wir 200 Satellitenbilder und mehr, um einen Betrieb zu verstehen.“ Die kostenlosen Copernicus-Daten hätten für die Landwirtschaft 4.0 einen richtigen Boom ausgelöst, sagt die studierte Hydrologin. „Noch ist das Bild heterogen, aber Deutschland ist bei der Entwicklung zu einer digitalen und nachhaltigeren Landwirtschaft mit besserem Management der Böden und des Wassers ganz vorn mit dabei – und dazu brauchen wir die Satellitendaten.“
Für seinen Landwirtschaftsservice Talking Fields kombiniert Vista Satellitendaten mit einer Fülle anderer Daten, wie Messungen von Sensoren am Boden, meteorologischen Stationen, und Auswertungen von Bodenproben. Der Mehrwert ergebe sich aus der Kombination aller Informationen, sagt Heike Bach. Dazu kommen eigene, hochentwickelte Ertragswachstumsmodelle, die berücksichtigen, wie sich die Felder über die Jahre entwickelt haben – und die Erfahrung des Landwirts. „Der Landwirt kennt seinen Acker, seinen Schlag, wie es richtig heißt, immer noch am besten“, sagt Heike Bach. „Wir verschaffen ihm nur eine bessere Übersicht. Die Satellitendaten zeigen Muster, mit denen wir die verschiedenen Bereiche einzelner Schläge besser ab- und einschätzen können. Wir wissen dann ganz genau, wie sich die Pflanzen entwickeln. Mit unseren Modellen können wir dann aus allen Messdaten simulieren, an welchen Stellen viel Ertrag zu erwarten ist und wo weniger.“
Die Satellitendaten können auch als Entscheidungshilfe dienen, wenn es darum geht, welche Böden für welche Pflanzensorten am besten geeignet sind und wo man aufgrund des Terrains bei der Ernte lieber etwas langsamer fahren sollte, um den besten Ertrag zu erzielen. Und nicht zuletzt kann man anhand der Daten auch Blühstreifen sinnvoll platzieren, damit sie sowohl für den Landwirt als auch für die Insekten Sinn ergeben. „So kombinieren wir Ökonomie und Ökologie“, sagt Heike Bach.
Smarte Unterstützung für die Landwirte
Die „teilflächengenaue Analyse von Nutzflächen“ – so heißt das, was Vista anbietet offiziell – ist Herzstück des digitalen Unterstützungspakets, das das Schwesterunternehmen Farmfacts für Landwirte schnürt. Die Kunden des Agrarsoftwareanbieters bewirtschaften zusammengenommen ein Viertel der landwirtschaftlichen Nutzfläche Deutschlands.
Mit den digitalen Farm Management Systemen können sie ihre Betriebe verwalten – und datengetrieben steuern. „Landwirtschaft 4.0 bedeutet nicht, dass ich meine Dokumente mit Word ausdrucke“, erklärt FarmFacts-Geschäftsführer Josef Bosch. „Es heißt, dass der Landwirt nicht mehr jeden kleinen Schritt selbst machen muss, sondern festlegt, mit welchem System er arbeiten will – und dann entscheidet die Maschine. Das ist eine immense Arbeitserleichterung.“ So müssten Entscheidungen nicht mehr aus dem Bauch heraus, sondern könnten aufgrund von harten Fakten getroffen werden. Gemeinsam mit der Farm Management-Software und durch Satellitennavigationssysteme gelenkte Maschinen könne der Landwirt so seinen ganzen Betrieb effizienter und nachhaltiger bewirtschaften.
„Satelliten haben einfach den besseren Überblick“, sagt auch Christoph Plass. Der Landwirt baut in Brandenburg auf etwa 2000 Hektar Land Mais, Kartoffeln, Weizen und Roggen an. „Mein Vater ist mit seiner Erfahrung aufs Feld gegangen, hat die Pflanzen beurteilt und dementsprechend gedüngt“, sagt Plass. „Wir gehen ebenfalls mit Erfahrung aufs Feld, stützen uns aber bei unseren Entscheidungen auf die Informationen, die uns Sensoren, Wetterdaten und digitale Feldkarten liefern.“
In der Praxis funktioniert das so: Die mit Satellitendaten gefütterten Optimierungsprogramme erkennen, wo auf einem Schlag mehr oder weniger Saatgut oder Dünger ausgebracht werden sollte. Die ausgewerteten Erdbeobachtungsdaten werden vom digitalen Farm Managementprogramm in Applikationskarten übertragen und in den Bordcomputer des Schleppers geladen. „Der arbeitet sie dann ab und bestimmt dabei, wo welche Menge auf dem Schlag ausgebracht wird, indem er das Gerät automatisch an- und ausschaltet und die Ausbringmengen reguliert“, erklärt Landwirt Plass. Dass sein Schlepper selbständig die Fahrgassen entlangfährt, die Feldgrenzen und Wendepunkte selbst erkennt, ist für Plass selbstverständlich. „Auf dem Acker fahren wir schon seit Jahren automatisch“, sagt er mit einem leisen Lächeln. Die Vorteile liegen für ihn auf der Hand: „Kein Mensch kann so genau steuern, dass sich die Bahnen beim Ausbringen der Saat oder des Düngers so minimal überlappen. Ich verteile also nicht mehr, als ich muss. Außerdem können meine Schlepper so rund um die Uhr fahren – die wissen ja, wo es langgeht. Das ist effizienter, gut für die Umwelt – und für mein Budget.“
Neben der Optimierung der Produktion, sprich, mehr Ertrag mit weniger Aufwand, gibt es für FarmFacts-Geschäftsführer Bosch noch einen weiteren, entscheidenden Vorteil der smarten Landwirtschaft: „Dadurch, dass der Schlepper aufzeichnet, was er tut, haben wir automatisch den Nachweis, dass wir uns an die gesetzlichen Vorgaben halten und zum Beispiel beim Düngen kein Nitrat ins Grundwasser gelangen lassen.“ Die notwendigen Berichte über die Maßnahmen auf den Feldern, die jeder Landwirt abliefern muss, spuckt das System fertig auf Knopfdruck aus. Zudem könne man auch den Stickstoffgehalt der Pflanzen aus dem Orbit ermitteln. „Ideal wäre natürlich, dass alles in den Pflanzen landet, aber das ist – noch – ein Wunschtraum. Derzeit haben wir Effizienzen zwischen 90 und 110 Prozent.“ 110 Prozent bedeutete hier zwar, dass man nichts verschmutzt hat, aber es zeigt, dass sich die Pflanze zusätzliche Nährstoffe aus dem Boden geholt hat. „Das ist dann Raubbau – und nicht nachhaltig“, sagt Bosch.
Ohne Kommunikationssatelliten läuft nichts
Landwirtschaft 4.0 ist aber nicht nur auf die Daten von Wetter-, Erdbeobachtungs- und Navigationssatelliten angewiesen. Ohne Telekommunikationssatelliten läuft gar nichts. Der Grund: Die zentimetergenauen Kurskorrekturen der Navigationssatelliten erreichen die autonom fahrenden Schlepper übers Mobilfunknetz. Das muss dafür jedoch erstmal vorhanden, und am besten noch stabil sein. Gar nicht so selbstverständlich, wie jeder weiß, der versucht, bei einer Fahrt über Landstraßen ein längeres Telefonat zu führen. Aber die Sämaschine, die mit dem Schlepper kommuniziert, der Mähdrescher, der während der Ernte eigenständig einen Ladewagen bestellen soll, um punktgenau seinen Kornspeicher leeren zu können oder der Melkroboter, der Nachrichten an das Handy des Landwirts schickt – sie alle brauchen Netz. Von Smart Farming Applikationen, Software-Updates oder Fernwartung des Fuhrparks ganz zu schweigen
Noch rangiert Deutschland aber im internationalen Vergleich der 4G-Verfügbarkeit in 87 Ländern auf Platz 54 – zwischen dem Senegal und Marokko. Und nach den derzeitigen Ausbauplänen des deutschen Mobilfunknetzes wird sich daran, zumindest für den ländlichen Raum, so bald nichts ändern. Etwa zwei Prozent der Haushalte, das sind etwa 1.6 Millionen, werden nach jetzigem Stand auch nach 2020 keinen Zugang zu schnellem Internet bekommen.
Satelliten statt Sendemasten
Die Lösung kommt auch hier aus dem Weltraum. Das von Telespazio VEGA Deutschland entwickelte intelligente hybride Modem, IHM schaltet je nach Verfügbarkeit automatisch zwischen terrestrischem Mobilfunk und den Iridium NEXT -Telekommunikationssatelliten hin und her. Damit schafft es dort, wo Sendemasten fehlen, stabile Verbindungen. Das Modem wurde gemeinsam mit der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft (DLG) und dem Landmaschinenhersteller John Deere im Rahmen des von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA geförderten Projekts agriloc (ARTES) entwickelt und kann mit dem satellitenbasierten Lenksystem fest in landwirtschaftlichen Maschinen eingebaut werden. Ältere Fahrzeuge nachzurüsten ist ebenfalls möglich.
Speziell auf die Bedürfnisse von Landwirten abgestimmte Breitbandanschlüsse, die ausschließlich per Satellit funktionieren, schafft das „FullSat“-System des Darmstädter Raumfahrtunternehmens. Es gibt eine stationäre und eine portable Version. Beide lassen sich einfach aufstellen, sind sofort betriebsbereit und kosten etwa soviel wie ein Smartphone. „Da die Infrastruktur im Orbit bereits ausgebaut ist, kann damit jeder Betrieb – und auch jeder Haushalt – sofort schnelles Internet erhalten“, erklärt Patrick Lewis, Vertriebsleiter Satellite Communication bei Telespazio VEGA Deutschland. „Geostationäre Kommunikationssatelliten können derzeit Bandbreiten von bis zu 50Mbps im Down- und 6Mbps im Upload anbieten. „In den nächsten zwei Jahren werden die pro Haushalt verfügbaren Bandbreiten verdoppelt – und teurer als so manche Handyverträge ist es auch nicht.“
Die Entwicklung geht weiter. Auf der Erde …
Die Möglichkeiten, wie Raumfahrttechnologien Landwirte dabei unterstützen können, effizienter und damit auch nachhaltiger zu wirtschaften, sind noch längst nicht ausgeschöpft. Deswegen beteiligt sich der Münchner Agrarhandelskonzern BayWa – und mit ihm auch die Tochterunternehmen FarmFacts und Vista – schon im zweiten Jahr an den Copernicus Masters, dem internationalen Innovationswettbewerb der ESA, in dem jedes Jahr die besten Ideen für die Nutzung der Copernicus-Daten in unterschiedlichen Kategorien ausgezeichnet werden. „Bevölkerungswachstum, Klimawandel, Anforderungen an Umweltschutz und Nachhaltigkeit in der Produktion sind nur drei der großen Herausforderungen, vor denen die Landwirtschaft, und damit die Nahrungsmittelsicherheit global stehen“, sagt der BayWa-Vorstandsvorsitzende Klaus Josef Lutz. „Satellitendaten werden einen großen Anteil daran haben, die Versorgung mit Grundnahrungsmitteln zu sichern.
Für die Smart Farming Challenge werden vor allem neue Lösungen und Ansätze gesucht, wie Landwirte effizienter und nachhaltiger arbeiten können. Die Preisträger bekommen nicht nur Geld – sie werden mit einem umfangreichen Mentoring-Programm unterstützt, damit ihre ausgezeichneten Ideen nicht nur Ideen bleiben. Wie alle Preisträger der Copernicus Masters wird auch der Sieger der Smart Farming Challenge seinen „Space Oscar“ am vierten Dezember in Helsinki im Rahmen der European Space Week erhalten.
Zu den drei Finalisten gehören dieses Jahr das österreichische Jungunternehmen Audili, das Satellitendaten für eine Software nutzt, mit der man Nährstoffgehalte in Acker- und Weideflächen bestimmen kann. So werden Bodenproben überflüssig. Auravant aus Argentinien hat eine digitale Plattform entwickelt, die Feldinformationen aus unterschiedlichen Quellen, darunter auch Satelliten, kombiniert. Die Plattform ist seit einem Jahr auf dem Markt und wird bereits von Landwirten und Erzeugern in 26 Ländern als Entscheidungshilfe genutzt, um effizienter zu wirtschaften. Dritter Finalist ist das dänische Unternehmen Ceptu. Die Dänen nutzen Satellitenbilder, um Feldgrenzen und die unterschiedlichen angebauten Fruchtarten präzise zu erkennen. Mit dem Tool können Landwirte nicht nur ihre eigenen Bestände überwachen, sondern auch regionale, nationale oder internationale Vergleiche herstellen. Agrarhändler können damit Angebot und Nachfrage für verschiedene Fruchtarten frühzeitig und auf globaler Ebene besser einschätzen.
… und im Weltraum
Die deutsche Raumfahrtindustrie arbeitet ständig daran, die Qualität der Erdbeobachtungsdaten zu verbessern. Als nächsten Schritt sollen Satelliten mit Hyperspektralkameras in den Orbit starten. „Die 10 x 10 Meter-Auflösung von Sentinel-2 ist schon sehr gut, aber eine Auflösung von fünf Metern wäre noch besser – vor allem in Deutschland, mit seinen vielen kleineren landwirtschaftlichen Betrieben und Schlägen“, sagt Vista-Chefin Heike Bach, die auch Mitglied der Mission Advisory Group der europäischen Weltraumagentur ESA ist. „So könnte ich noch besser verstehen, was wirklich im Acker passiert. Mit den neuen Hyperspektralsensoren kann ich dann zum Beispiel den Humusgehalt direkt aus den Sensordaten kartieren und die Nährstoffversorgung in den Pflanzen besser erklären. Das sind wichtige Größen für Stickstoff und Düngemaßnahmen.“
Zunächst wird in 2020 der deutsche Satellit EnMAP (englisch: Environmental Mapping Analysis Program) vom indischen Raumfahrtzentrum Sriharikota aus in den Orbit starten, der derzeit im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR) bei dem Bremer Raumfahrtunternehmen OHB entwickelt und gebaut wird. Die Mission, an der auch die Raumfahrtunternehmen Hensoldt und Jena-Optronik beteiligt sind, ist nicht nur für die Landwirtschaft interessant, die Daten werden auch in der Forstwirtschaft und der Bodenkunde neue Erkenntnisse bringen und für die Erforschung von Küstengebieten und Inlandsgewässern interessant sein.
Auch das Copernicus-Programm könnte einen mit Hyperspektralsensoren ausgerüsteten Sentinel-Satelliten bekommen. CHIME (englisch für Copernicus Hyperspectral Imaging Mission) heißt das Sentinel-Expansion-Projekt. Machbarkeitsstudien laufen bereits. Ob und wann dieses Projekt Wirklichkeit wird, wird Ende November auf der ESA-Ministerratskonferenz Space19+ im November 2019 entschieden.
