Preisverleihung: v.l.n.r. Eike Janesch, Stefan Junne, Jens Zosel

The Future of Agriculture: Growth or Sustainability? We can have both!

German version below.

The Future of Agriculture: Growth or Sustainability? We can have both!

When we think about agriculture and the impact it has on our society, there are essential factors to consider. The constant increase in the world’s population and the rise in life expectancy show how important it is for agriculture to meet the demand for food. According to The Food and Agriculture Organization (FAO), agricultural production needs to increase by 70% to feed a global population of 9.6 billion in 2050. Some technologies have helped farmers to feed the world. Fertilization processes and irrigation systems are examples of agricultural support elements used on a large scale and always optimized to reach the target.

However, intense exploitation in the agronomic field also brings complications directly to human being’s life. It is more than known that these demands have affected the ecosystem. Every day we see how the environment responds to these actions. Thus, being concerned with a system that not only meets the quantity but also the quality has become a requirement for farmers in general. Now they face these new challenges: to reduce farming’s environmental impact while they produce more food.

That is where the PENTA project PLANtAR comes into the scene. A European project, PLANtAR is developing new types of sensors and sensor network technologies, to help farmers feed the growing global population, and at the same time, protect the environment. With partners from Germany, the Netherlands, and Spain, the aim is to develop autonomously monitoring systems for the main physicochemical elements in the area of agriculture.

The project is making these technologies more affordable and sustainable by enabling a combination of precise sensor networks and application intelligence through innovations in low-cost, highly integrated, miniaturized, and accurate sensors for large-scale applications. In addition, integrated circuits, interfaces, signal pre-processing, and battery management will support the new system. Printed electronics based on biocompatible and biodegradable materials will comprise the construction of the antenna, battery, some sensors, and housing system integration and interconnection technologies for low-cost electronics.

The Kurt Schwabe Institute has a big task in this European project. As one of the partners and with long-lasting expertise in sensor technology, we are responsible for the development of a nitrate sensor to be integrated into this monitoring system. The aim is to overcome the current difficulties of on-site nitrate monitoring in the environment, in terms of time for measurement, price, technique, and power consumption.

The nitrate sensor is being developed to be stable and reproducible enough to work with a long lifetime. Built to operate by the potentiometric method, the sensor is structured in non-toxic, bio-inert materials and carefully prepared so that its application does not harm the environment, nor that the environment, where it will be inserted, interferes in the sensor’s performance. The technology invested in the construction of this sensor will allow farmers to have a device easy to handle, which can be inserted in the soil with one pre-calibration and leave it there for real-time measurements over months.

Maintaining core scientific expertise in this area in Europe and strengthening Europe’s ability to provide electronics for sustainable agriculture that feeds the world, PLANtAR is envisioning outdoor ‘precision’ and urban farming, greenhouses, and indoor farming, and farm monitoring. Sensor and sensor system’s portfolio of PLANtAR contains a whole series of innovative technical solutions, which will allow optimizing farming processes concerning water, energy, pesticide, fungicide, and fertilizer consumption.

PLANtAR is a unique project, which brings many challenges to be achieved from the development to the operation of this system, but will certainly bring significant gains not only for society, but also for the environment.

© Michelle Brandão Silva de Assis and Michael Mertig, 2023.

Die Zukunft der Landwirtschaft: Wachstum oder Nachhaltigkeit? Wir können beides haben!

Wenn wir über die Landwirtschaft und ihre Auswirkungen auf unsere Gesellschaft nachdenken, gibt es wesentliche Faktoren zu berücksichtigen. Das stetige Wachstum der Weltbevölkerung und die steigende Lebenserwartung zeigen, wie wichtig es für die Landwirtschaft ist, die Lebensmittelnachfrage zu erfüllen. Nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation FAO muss die landwirtschaftliche Produktion um 70 % gesteigert werden, um eine Weltbevölkerung von 9,6 Milliarden Menschen im Jahr 2050 zu ernähren. Einige Technologien haben den Landwirten geholfen, die Welt zu ernähren. Düngeverfahren und Bewässerungssysteme sind Beispiele für landwirtschaftliche Hilfsmittel, die in großem Umfang eingesetzt werden und stets auf die Erreichung des Ziels ausgerichtet sind.

Die intensive Nutzung im Agrarbereich bringt jedoch auch Komplikationen mit sich, die sich direkt auf das Leben der Menschen auswirken. Es ist mehr als bekannt, dass diese Anforderungen Auswirkungen auf das Ökosystem haben. Jeden Tag sehen wir, wie die Umwelt auf diese Maßnahmen reagiert. Daher ist es für die Landwirte im Allgemeinen zu einer Notwendigkeit geworden, sich um ein System zu kümmern, das nicht nur die Quantität, sondern auch die Qualität erfüllt. Jetzt stehen sie vor der neuen Herausforderung, die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft zu verringern und gleichzeitig mehr Nahrungsmittel zu produzieren.

An dieser Stelle kommt das PENTA-Projekt PLANtAR ins Spiel. PLANtAR ist ein europäisches Projekt zur Entwicklung neuartiger Sensoren und Sensornetztechnologien, die den Landwirten helfen sollen, die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren und gleichzeitig die Umwelt zu schützen. Mit Partnern aus Deutschland, den Niederlanden und Spanien sollen autonome arbeitende Monitoringsysteme für die wichtigsten physikalisch-chemischen Elemente in der Landwirtschaft entwickelt werden.

Das Projekt macht diese Technologien erschwinglicher und nachhaltiger, indem es eine Kombination aus Sensornetzwerken und Anwendungsintelligenz durch Innovationen bei kostengünstigen, hochintegrierten, miniaturisierten und genauen Sensoren für großflächig angelegte Anwendungen ermöglicht. Darüber hinaus wird das neue System durch integrierte Schaltungen, Schnittstellen, Signalvorverarbeitung und Batteriemanagement unterstützt. Gedruckte Elektronik auf der Basis biokompatibler und biologisch abbaubarer Materialien wird den Aufbau der Antennen, Batterien, einiger Sensoren und der Gehäusesystemintegration und Verbindungstechnologien für kostengünstige Elektronik umfassen.

Das Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. hat eine große Aufgabe in diesem europäischen Projekt übernommen. Als einer der Partner mit langjähriger hoher Expertise in der Sensortechnologie sind wir für die Entwicklung eines Nitratsensors verantwortlich, der in dieses Monitoringsystem integriert werden soll. Ziel ist es, die derzeitigen Schwierigkeiten bei der Vor-Ort-Gewinnung von Nitratdaten in der Umwelt zu überwinden, und zwar in Bezug auf die Messzeit, den Preis, die Technik und den Stromverbrauch.

Der Nitrat-Sensor wird so entwickelt, dass er stabil und reproduzierbar genug ist, um mit einer langen Lebensdauer zu arbeiten. Der nach einer potentiometrischen Methode arbeitende Sensor besteht aus nicht-toxischen, bio-inerten Materialien und wurde sorgfältig vorbereitet, damit seine Anwendung die Umwelt nicht schädigt und die Umgebung, in der er eingesetzt wird, die Leistung des Sensors nicht beeinträchtigt. Die in den Bau dieses Sensors investierte Technologie wird es den Landwirten ermöglichen, über ein einfach zu handhabendes Gerät zu verfügen, das nach einer Vorkalibrierung in den Boden eingebracht werden kann und dort monatelang für Echtzeit-Messungen verbleibt.

PLANtAR soll die wissenschaftliche Kernkompetenz auf diesem Gebiet in Europa erhalten und die Fähigkeit Europas stärken, Elektronik für eine nachhaltige Landwirtschaft zu liefern, die die Welt ernährt. PLANtAR sieht eine Precision-Landwirtschaft im Freien und in Städten, Gewächshäusern und Innenlandwirtschaft sowie Möglichkeit des Monitorings in landwirtschaftlichen Betrieben vor. Das PLANtAR-Portfolio an Sensoren und Sensorsystemen enthält eine ganze Serie innovativer technischer Lösungen, die es erlauben werden, landwirtschaftliche Prozesse bezüglich des Einsatzes von Wasser, Energie, Pestiziden, Fungiziden und Düngemitteln zu optimieren.

PLANtAR ist ein einzigartiges Projekt, das von der Entwicklung bis zum Betrieb dieses Systems viele Herausforderungen mit sich bringt, aber ganz sicher auch erhebliche Vorteile nicht nur für die Gesellschaft sondern auch für die Umwelt generieren wird.

© Michelle Brandão Silva de Assis und Michael Mertig, 2023.

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