ConstellR – Daten aus dem All für den zielgerichteten Wassereinsatz in der Landwirtschaft

Durch den stetigen Bevölkerungsanstieg werden bis 2050 schätzungsweise bis zu zehn Milliarden Menschen auf der Erde leben. Laut den Vereinten Nationen (UN) wird die Menschheit dann ungefähr 50 Prozent mehr Nahrung benötigen als heute. Bereits zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die Ernährungssicherheit durch Dürreperioden, Wasserknappheit, Überschwemmungen und andere Umweltkatastrophen gefährdet. Um dem entgegenzuwirken, ist eine optimierte Bewirtschaftung der verfügbaren Agrarflächen unabdingbar. Das Start-up ConstellR, die erste Ausgründung des Fraunhofer EMI, wird mit Daten aus dem All dabei helfen, die Ressource Wasser zielgerichteter und effizienter einzusetzen. 

Das Sensorsystem zur Beobachtung von Anbauflächen auf der Erde wird an Bord der Internationalen Raumstation ISS installiert werden.
© Nasa
Daten aus dem All werden dabei helfen, auf der Erde die Ressource Wasser gezielter als bisher einzusetzen.
© NanoAvionics
Satellitenplattform, welche ab 2023 das Messgerät zur hochgenauen Landoberflächentemperaturmessung beinhalten wird.

Kleine Satelliten mit großer Wirkung

Die Idee: Eine Kleinsatellitenkonstellation überwacht die Oberflächentemperatur unseres Planeten kontinuierlich und mit hoher Auflösung. Anhand der Aufzeichnungen können Daten zu Wasserständen, städtischen Hitzeinseln und Waldbränden gesammelt und ausgewertet werden. Diese Daten ermöglichen schnelles Reagieren und Handeln. Dadurch schafft ConstellR einen großen Schritt in Richtung einer an den Klimawandel angepassten Landwirtschaft.  

© ConstellR
Das neue Messsystem liefert hochpräzise Daten, die bis auf 50 Meter genau den Zustand der Nutzpflanzen bestimmen können.

Eine Mission zur Sicherung der Nahrungsversorgung

Das Ziel von ConstellR ist es, ab 2023 eine Konstellation von Kleinsatelliten aufzubauen, mit deren Hilfe die Agrarwirtschaft und dadurch die Nahrungsstabilität effizienter gestaltet werden können. Die gemessene Oberflächentemperatur der Erde ist ein wichtiger Faktor für die Gesundheit von Agrarflächen. Die neuen Messsysteme liefern hochpräzise Thermal-Infrarotaufnahmen, mit denen der Gesundheitszustand und Wasserbedarf von Nutzpflanzen bestimmt werden kann. Eine drohende Dürre kann so frühzeitig erkannt und durch gezielte Bewässerung verhindert werden. Durch diese Methode wird der Wasserverbrauch bei der Bewässerung von Feldern verringert und gleichzeitig der Ernteertrag pro verwendetem Liter Wasser erhöht. »More Crop per Drop« lautet dabei die Devise. Die Daten der Landkartenaufnahmen sind bis auf 50 Meter genau und sollen an Smart-Farming-Firmen weitergegeben werden, die dann die Betreiber:innen der landwirtschaftlichen Flächen informieren können.

Unternehmensgründung mit Unterstützung

2017 gewannen die Wissenschaftler des Fraunhofer EMI, Max Gulde und Marius Bierdel, mit ihrer Idee den dritten Platz einer Ausschreibung der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Danach wollten die beiden Forscher ihre Idee zur satellitenunterstützten Realisierung von effizienten Bewässerungssystemen in die Praxis umsetzen. Dabei wurden sie unter anderem über die Accelerator-Programme der Fraunhofer-Gesellschaft unterstützt. Innerhalb des Fraunhofer-Accelerators lernte das Duo Christian Mittermaier kennen, der fortan das naturwissenschaftlich gepräg­te Gründerteam mit seinem betriebswirt­schaftlichen Hintergrund ergänzte. Das Start-up ConstellR wurde im April 2020 gegründet. Inzwischen hat das Team 19 Mitarbeitende. Durch die EXIST-Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) und durch das Fraunhofer-AHEAD-Programm konnten etwa zwei Millionen Euro an Fördergeldern gesammelt werden, die unter anderem in die erste Mission der ConstellR-Technologie in den Erdorbit investiert wurden. Das Start-up wird ebenfalls vom Leistungszentrum Nachhaltigkeit Freiburg (LZN) unterstützt.

Die Gründer von ConstellR: Marius Bierdel, Dr. Max Gulde, Christian Mittermaier (von links nach rechts).

Große Zukunftspläne mit kleinen Satelliten

Bis zum Jahr 2028 sollen 16 Satelliten mit der ConstellR-Technologie im Erdorbit die Bewässerung von Agrarflächen unterstützen. Die dabei fortschreitende Miniaturisierung der dafür notwendigen Technik ermöglicht es, sogenannte »Mikrosatelliten« von der Größe etwa eines Schuhkartons leistungs- und widerstandsfähig zu entwickeln, um derartige Satellitenkonstellationen kostengünstig zu realisieren. Bisherige Satellitensysteme zur Überwachung der Oberflächentemperatur der Erde sind häufig so groß wie ein Bus und kosteten teilweise mehr als eine Milliarde Euro pro Mission. Durch die ConstellR-Technologie ist es möglich, entsprechende Missionen für einen Bruchteil der Kosten durchzuführen. Ein ConstellR-Satellit kostet dabei nur circa drei Millionen Euro. Ab 2026 könnten bereits jährlich 180 Milliarden Tonnen Wasser und 94 Million Tonnen CO2 eingespart werden, während sich der globale Ernteertrag ohne höheren Wasserverbrauch um bis zu vier Prozent erhöhen könnte. Dies entspräche Nahrung für über 350 Millionen Menschen.

© Fraunhofer EMI
Das Messgerät offen (links) und in seiner Box (rechts), in der es auf die Plattform der ISS geschraubt werden wird.

ConstellR-Technologie im Erdorbit

Am 19. Februar 2022 wird der erste Schritt in den Orbit getan. Das Messinstrument LisR (Longwave Infrared sensing DemonstratoR) wird an Bord der Internationalen Raumstation ISS mithilfe der ConstellR-Technologie beginnen, hochgenaue Messungen der Landoberflächentemperatur aufzunehmen. Das Gerät, nicht größer als zwei Milchtüten, wird an Bord der Raumstation von Astronaut:innen auf die Forschungsplattform »NanoRacks Experimental Plattform – NREP« geschraubt, die dann später durch einen Roboterarm an der Außenseite der Station montiert wird. Die ermittelten Daten, die regelmäßig zur Weiterverarbeitung an die Erde geschickt werden, bilden die Grundlage für die verschiedenen Anwendungsbereiche von ConstellR: unter anderem die effizientere Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen und das Vorhersagen des voraussichtlichen Ernteertrags.

Bevor LisR auf die ISS kommt, muss das Messinstrument letzte Tests bei der NASA und NanoRacks durchlaufen. NanoRacks ist der Service Provider, der die Testplattform außen an der ISS bereitstellt. Die Tests umfassen die Software, Elektronik und Mechanik des Messinstruments. Vom 15. November bis zum 1. Dezember 2021 wurden im Space Center in Houston, USA, Tests durchgeführt, bis dann am 17. Dezember 2021 das Messinstrument an die NASA übergeben wird.

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ConstellR (fraunhofer.de)
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