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. 

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.  

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.

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.

ConstellR-Technologie im Erdorbit

Bevor LisR auf die ISS kam, musste 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 umfassten 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 wurde.

Am Samstag, den 19. Februar 2022 wurde der erste Schritt in den Orbit getan. Das Messinstrument LisR (Longwave Infrared sensing DemonstratoR) wurde an Bord des Raumfrachters Cygnus als Teil einer Nachschubmission zur Internationalen Raumstation ISS. Der Start erfolgte von Wallops Island, Virginia.

Das Gerät, nicht größer als zwei Milchtüten, wird am 9. März 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.

Mit den ersten Daten von LisR ist Anfang April 2022 zu rechnen. Die Daten, die dann regelmäßig zur Weiterverarbeitung an die Erde geschickt werden, bilden die Grundlage für die verschiedenen Anwendungsbereiche von ConstellR: unter anderem das Erkennen von Veränderungen der Pflanzengesundheit, die effizientere Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen und am Ende einen höheren Ernteertrag.

Ein Blick in die Zukunft: LisR ist ein technischer Demonstrator. Im nächsten Schritt werden Ende 2023 zwei Mikrosatelliten in den Orbit gebracht, zwei weitere folgen 2024.

Durch die skalierbare, kommerzielle Überwachung des Wasserbedarfs von Nutzpflanzen und eine intelligente Landwirtschaft soll das Ziel von mehr Nahrungssicherheit für die Menschen erreicht werden.

Video des Launchs: Das Messinstrument LisR (Longwave Infrared sensing DemonstratoR) startet an Bord eines Cygnus-Raumschiffs, einem typischen Transportraumschiff, von Houston aus zur Internationalen Raumstation ISS, um dort mithilfe der ConstellR-Technologie hochgenaue Messungen der Landoberflächentemperatur aufzunehmen.

Das Messinstrument LisR wird von der Astronautin Kayla Barron an Bord der ISS installiert.

Video der ISS von außen, auf dem das Messinstrument LisR zu sehen ist. 

Update des Beitrags am 19. April 2022

Webseite ConstellR: www.constellr.space

NewSpace Startup ConstellR - Fraunhofer EMI

Press release, February 21, 2022

On Saturday 19th February 2022, German NewSpace company ConstellR successfully launched their first thermal infrared earth observation system into space for global water monitoring. The payload was launched from Wallops Island, Virginia, part of the Northrop Grumman resupply mission to the International Space Station.

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Hilfe aus dem All

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