Expedition: Nahrungskette
Projektname: CUBES Circle
Projektlink

SDG 2 SDG 3 SDG 8 SDG 9 SDG 11 SDG 13

In der Natur gibt es keinen Abfall. Alles wird verwertet, umgewandelt, recycelt und erneut in den Stoffkreislauf aufgenommen. Der Biologe und Agrarwissenschaftler Christian Ulrichs ist überzeugt, dass dieser Kreislauf Vorbild für die Produktion von Lebensmitteln sein kann. Am Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften leitet er das Fachgebiet für Urbane Ökophysiologie der Pflanzen und erforscht dort im Projekt CUBES Circle, wie Produktionssysteme intensiv und gleichzeitig nachhaltig sein können.

Fische, Insekten und Pflanzen – mit diesen drei Komponenten plant der Forscher Christian Ulrichs einen Wandel in der Lebensmittelproduktion. Sein Konzept zielt auf nicht weniger als „die höchstmögliche Ressourceneffizienz“. Um Nahrungsmittel nachhaltig zu produzieren, werden die Nährstoffe im Kreis geführt und verschiedene Produktionssysteme miteinander gekoppelt. „Der Reststoff aus dem einen System ist ein Wertstoff für das nächste System“, erklärt Ulrichs den Entwurf.

Christian Ulrichs; Foto: Falk Weiß

Platzsparend, emissionsarm und ressourcenschonend

Das Vorbild für ihr Konzept haben sich die Forscherinnen und Forscher des Verbundprojektes aus der Natur abgeschaut: Natürliche Nahrungsketten basieren auf Pflanzen, die Nährstoffe und Sonnenenergie in Biomasse umwandeln. Pflanzenfresser wie beispielsweise Insekten nutzen diese Nahrungsquelle und werden selbst wiederum von anderen Tieren wie etwa Fischen gefressen. Das Forschungsteam um Christian Ulrichs möchte die Stufen dieser einfachen Nahrungskette nachbilden. In großen Fischbecken schwimmen dann Schwärme von Silberkarpfen oder Tilapien, die mit Larven aus der benachbarten Insektenfarm gefüttert werden und deren Exkremente wertvoller Dünger für die Gemüsepflanzen in den angeschlossenen Gewächshäusern sind. Jede Produktionseinheit für Fische, Pflanzen und Insekten ist etwa so groß wie ein Schiffscontainer und stapelbar.

Der Clou: Auf kleinem Raum können so mit viel weniger Düngemitteln und emissionsarm große Mengen an Gemüse, Fisch und Insekten produziert werden. Die Insekten, die wertvolle Proteinlieferanten sind, könnten auch der menschlichen Ernährung dienen. „Aber dafür mangelt es noch an der Akzeptanz“, räumt Christian Ulrichs ein. Die Insektenlarven werden deshalb vorrangig als Fischfutter, aber auch als Resteverwerter zum Nährstoffrecycling genutzt.

Die Larven der Soldatenfliege sind gerade für die Resteverwertung ideale Kandidaten. „Die Tiere sind nicht attraktiv, aber sehr effizient“, lobt Christian Ulrichs die unscheinbaren rundlichen Maden. „Sie sind gute Futterverwerter, sehr robust, fressen Pflanzenreste aus den Gewächshäusern und alle möglichen Abfälle.“ Die Insektenlarven wachsen auch hervorragend mit Speiseabfällen aus Restaurants oder Supermärkten. Immerhin landen allein in Deutschland jedes Jahr zwölf Millionen Tonnen Lebensmittel im Müll. Mithilfe von Insekten könnten aus diesen Abfällen wieder hochwertige Lebensmittel entstehen.

In der Stadt, in der Wüste und auf dem Schiff

Derzeit testen die Forschenden die einzelnen Module – die sogenannten CUBES – der Insekten-, Fisch-, und Pflanzenproduktion noch in getrennten Systemen. Jede Einheit wird von Sensoren überwacht, die verschiedene Klimaparameter, die Substrattemperatur und -feuchte, den Gehalt von Gasen wie CO2, Sauerstoff und Ammonium messen. Auch Qualitätsparameter wie die Farbe der Pflanzen und das Level von Stresshormonen in den Fischbecken werden erhoben und ausgewertet. Kolleginnen und Kollegen an der Technischen Universität Chemnitz und der Technischen Universität Braunschweig sowie dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei werten die Daten aus und entwickeln Algorithmen, die die Systeme optimal einstellen. Die Produktion soll am Ende möglichst hoch und effizient – vor allem aber automatisiert ablaufen. Weitere Forschungsfragen drehen sich um die Akzeptanz und die Nutzerfreundlichkeit der Anlagen. Die größte Herausforderung für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist im Moment aber, die einzelnen Module so aufeinander abzustimmen, dass sie reibungslos ineinandergreifen. Das Futter für die Fische und Insekten, der Gasaustausch zwischen den Systemen, die Temperatur von Wasser und Luft und die Menge an Düngemitteln sind wichtige Stellschrauben, die das System steuern und regulieren. Die Stoffflüsse müssen genau berechnet werden, um die entstehende Biomasse und die benötigten Nährstoffe zu ermitteln.

Später, wenn die Forschenden all das wissen, werden die CUBES zu einem CUBES Circle zusammengekoppelt. Im Jahr 2021 wird eine 200 Quadratmeter große Pilotanlage mit zwei Etagen auf dem Campus Dahlem in Berlin entstehen. In den Folgejahren soll das Projekt dann den Sprung in die Praxis schaffen und Nahrungsmittel in großem Stil produzieren. Dafür haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch Partner aus der Lebensmittelbranche ins Boot geholt. Besonders attraktiv könnte die Produktionsanlage für Nahrungsmittel überall dort sein, wo der Boden wenig fruchtbar ist, der Platz begrenzt ist oder andere Umweltparameter die Lebensmittelproduktion erschweren: in der Stadt, auf Industriebrachen, in Wüstenregionen oder in dichtbesiedelten Regionen. Die Einheiten sind stapelbar und lassen sich auf jede beliebige Größe erweitern. „Mit Schiffen könnten die CUBES sogar in Krisengebiete transportiert werden, in denen vielleicht die Ernte durch Überschwemmungen zerstört wurde“, beschreibt Christian Ulrichs ein weiteres Einsatzszenario.

Agrarsystem der Zukunft

Bis es soweit ist, gibt es allerdings noch viel zu tun für das CUBES Circle-Forschungsteam, das bereits jede Menge Ideen hat, wie das System erweitert und die Wertschöpfung gesteigert werden könnte. Experimente mit besonderen Kulturen sind bereits in Planung. Wasserlinsen etwa könnten mit den Ausscheidungen der Insektenfarm gezüchtet und als vitaminreicher Salat produziert werden. Die kontrollierten Bedingungen in den CUBES wären auch für die Produktion von medizinischem Cannabis ideal. Bestimmte Insekten liefern zudem wertvolle Öle für die Kosmetikindustrie, und Wassersellerie, der im Gegensatz zum herkömmlichen Sellerie keine Allergien auslöst, dürfte in den Pflanzenmodulen ebenfalls gut gedeihen.

Im Fokus von CUBES Circle steht jedoch die Produktion von Nahrungsmitteln im großen Maßstab. „Die Agrarsysteme der Zukunft müssen sich wirtschaftlich tragen und trotzdem nachhaltiger sein als alles, was wir bisher haben“, betont Christian Ulrichs. Er ist überzeugt davon, dass das Konzept genau diese Bedingungen erfüllt. Die Einsparungen von Wasser, Energie, Düngemitteln oder Emissionen liegen im „höheren zweistelligen Prozentbereich“, erklärt er. Die Gewächshäuser sind etwa so konzipiert, dass Kondenswasser aufgefangen und weitergenutzt werden kann. Mit einem Regalsystem können Salat oder Paprika sehr platzsparend produziert werden. Und Kohlendioxid, das in den Insektenfarmen oder im Fischwasser als Atemprodukt anfällt, wird zu den Pflanzenkulturen geleitet und sorgt hier für besseres Wachstum. Alles ist auf Effizienz, geschlossene Kreisläufe, wenig Abfall und Emissionen getrimmt. „Es ist ein sehr intensives Produktionssystem“, sagt Ulrichs. „Aber intensiv im positiven Sinn.“

Externe Links
- Studie des Thünen-Instituts zur Lebensmittelverschwendung
- Der Wassersellerie als allergenfreie Alternative
- CUBES Circle auf Instagram
- CUBES Circle auf ResearchGate

Diese Seite wurde zuletzt am Mittwoch, 17. März 2021, 13:06 Uhr verändert.