Gülle ist ein wertvoller Dünger voller Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphat, Kalium und Magnesium. Gleichzeitig kann sie das Grundwasser gefährden, wenn zu viel ausgebracht wird. „Je nach Tierart, Futter und Lagerung unterscheidet sich die Zusammensetzung stark“, erklärt Krieger. „Landwirte schicken zwar regelmäßig Proben ins Labor, mindestens einmal im Jahr. Doch diese Ergebnisse sind nur Momentaufnahmen und sagen wenig über den Rest der Gülle aus.“

Die Lösung: Sensoren, die direkt im Güllefass messen, wie viel von welchen Nährstoffen vorhanden ist. So lässt sich die ausgebrachte Menge gezielt anpassen. An diesem Ansatz arbeiten Krieger und seine Mitarbeiter Leonard Friedrich und Janek Otto in den Projekten iDent und iDentPlus. Seit 2020 kooperieren sie dabei mit verschiedenen Partnern aus Industrie und Forschung.

Wenn Licht auf Gülle trifft – die Nahinfrarotspektroskopie

Für Krieger und sein Team gliedert sich das Projekt vor allem in zwei Arbeitsbereiche: zum einen die Entwicklung geeigneter Sensoren, zum anderen die Datenauswertung mit KI.

Die Sensoren arbeiten mit Nahinfrarotspektroskopie: Sie senden Licht bestimmter Wellenlängen aus, das von den verschiedenen Molekülen in der Gülle unterschiedlich stark absorbiert wird. Die Infrarotstrahlung regt charakteristische Schwingungen chemischer Bindungen an, aus deren Reflexions- und Absorptionsverhalten sich der Nährstoffgehalt der Gülle bestimmen lässt.

Doch die Umsetzung für den Praxiseinsatz ist anspruchsvoll und umfasst unterschiedlichste Problemstellungen. So muss beispielsweise das Glas der Sensoren das Nahinfrarotlicht durchlassen, gleichzeitig aber stabil genug sein, um Druck und Strömungen in landwirtschaftlichen Geräten auszuhalten. Zudem muss der Sensor erkennen, wenn das Messfenster verschmutzt ist, und diese Information zuverlässig an das System melden. Mit solchen praktischen Herausforderungen beschäftigten sich Krieger und seine Mitarbeiter in der ersten Projektphase.

Wie Sensorik und KI zusammenkommen

In der zweiten Phase arbeiten sie vor allem an der Software, die die Daten der Sensoren auswertet. Denn Rückschlüsse auf die Nährstoffe, die in der Gülle vorhanden sind, gibt es nur in indirekter Form. „Die Sensoren messen die Nährstoffe nicht wie ein Thermometer die Temperatur“, erläutert Krieger. „Es liegt an uns, eine Verbindung herzustellen zwischen den Spektraldaten der Sensoren und den Nährstoffmengen in der Gülle.“ Das bedeutet: Die Wissenschaftler gleichen die Angaben der Sensoren und die Nährstoffanalysen aus dem Labor miteinander ab und schauen, wie beides zusammenhängt.

„Wir können die Technologie entwickeln, doch letztlich ist es auch eine politische Frage, ob solche Sensoren zugelassen und aktiv gefördert werden.“

Über 2.000 Proben haben sie bisher gesammelt und ausgewertet, sodass eine KI immer präzisere Voraussagen treffen kann: Sie vergleicht Sensordaten und Laborwerte und lernt dabei, welche Muster im Absorptionsspektrum mit welchen Stickstoff-, Phosphor- oder Kaliumwerten zusammenhängen. Mit jeder weiteren Probe kann die Modellgenauigkeit verbessert werden. So kann die KI künftig aus neuen Sensormessungen zuverlässig vorhersagen, wie die Nährstoffzusammensetzung der Gülle aussieht, ohne dass für jede Probe eine aufwändige Laboranalyse nötig ist.

Ist also ein Sensor, der direkt auf dem Feld die Nährstoffe im Dünger misst, schon in Reichweite? Ganz sicher sagen können die Wissenschaftler das nicht. „Wir können die Technologie entwickeln, doch letztlich ist es auch eine politische Frage, ob solche Sensoren zugelassen und aktiv gefördert werden“, erklärt Krieger.

Vielseitige Sensorik – von automatisiertem Fahren bis zum Werkzeugbau

Er und sein Team konzentrieren sich allerdings nicht ausschließlich auf landwirtschaftliche Anwendungen. Ihr Fachgebiet liegt allgemein in der Entwicklung von Sensoren und deren Verknüpfung mit intelligenter Software. So waren sie beispielsweise schon in der Automobilentwicklung tätig, wo sie Sensorsysteme entwickelten, die messen, wie nass eine Straße ist – ein erster Schritt hin zum automatisierten Fahren.

Aktuell arbeiten sie ebenfalls an einem System zur Analyse von Kühlschmierstoffen – angereicherten Ölen, die etwa im Maschinen- und Werkzeugbau zum Einsatz kommen. Durch verbesserte Analysen könnten diese Stoffe länger genutzt werden, was Ressourcen spart, die Nachhaltigkeit erhöht sowie wirtschaftlicher ist.

„Das macht unsere Arbeit so vielfältig“, sagt Krieger. „Mit unserem Ansatz sind wir in vielen unterschiedlichen Bereichen aktiv, die gesellschaftlich relevant sind – und können so Nachhaltigkeit voranbringen.“