Unkrautlaser-Entwicklung am Laser Zentrum Hannover: Laser statt Herbizid
Im Frühjahr dieses Jahres endete das Projekt LURUU — Lasereinsatz zur Unkrautregulierung bei resistenten Ungräsern und Unkräutern. Wir berichten über den Stand der Entwicklung.
Im März hatte das Laser Zentrum Hannover (LZH) zu einer Tagung eingeladen, um die Ergebnisse der Projekte LURUU, LUM und WeLASER vorzustellen. Alle drei Projekte befassen sich mit der gezielten Bekämpfung von Unkräutern und Ungräsern mittels Laser. LURUU steht für „Lasereinsatz zur Unkrautregulierung bei resistenten Ungräsern und Unkräutern“ und LUM für „Laserbasiertes Unkrautmanagement“.
Hintergrund für den Start der Forschungsprojekte ist, dass Resistenzen gegen Herbizide in den vergangenen Jahren exponentiell zugenommen haben und es immer weniger Herbizide gegen Problemunkräuter und -ungräser gibt. Speziell Ackerfuchsschwanz wird für Ackerbauern zunehmend zum Problem. Deshalb, und auch weil die Europäische Union bis 2030 eine drastische Reduktion beim Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel vorsieht, müssen alternative Methoden zur Bekämpfung von Unkräutern und Ungräsern gefunden werden. Eine davon könnte der Einsatz von Lasertechnik sein.
Das Projekt LURUU untersuchte die Tauglichkeit eines mobilen Lasers zur Bekämpfung von Ackerfuchsschwanz und Windhalm in Weizen auf zwei Praxisbetrieben. Also galt es, eine robuste, feldtaugliche Laser- und Prozesstechnik zu entwickeln.
Vegetationskegel anvisieren
Im ersten Schritt musste eine Bildverarbeitungssoftware mit künstlicher Intelligenz (KI) darauf trainiert werden, die Ungräser von den Kulturgräsern zu unterscheiden.
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Im März hatte das Laser Zentrum Hannover (LZH) zu einer Tagung eingeladen, um die Ergebnisse der Projekte LURUU, LUM und WeLASER vorzustellen. Alle drei Projekte befassen sich mit der gezielten Bekämpfung von Unkräutern und Ungräsern mittels Laser. LURUU steht für „Lasereinsatz zur Unkrautregulierung bei resistenten Ungräsern und Unkräutern“ und LUM für „Laserbasiertes Unkrautmanagement“.
Hintergrund für den Start der Forschungsprojekte ist, dass Resistenzen gegen Herbizide in den vergangenen Jahren exponentiell zugenommen haben und es immer weniger Herbizide gegen Problemunkräuter und -ungräser gibt. Speziell Ackerfuchsschwanz wird für Ackerbauern zunehmend zum Problem. Deshalb, und auch weil die Europäische Union bis 2030 eine drastische Reduktion beim Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel vorsieht, müssen alternative Methoden zur Bekämpfung von Unkräutern und Ungräsern gefunden werden. Eine davon könnte der Einsatz von Lasertechnik sein.
Das Projekt LURUU untersuchte die Tauglichkeit eines mobilen Lasers zur Bekämpfung von Ackerfuchsschwanz und Windhalm in Weizen auf zwei Praxisbetrieben. Also galt es, eine robuste, feldtaugliche Laser- und Prozesstechnik zu entwickeln.
Vegetationskegel anvisieren
Im ersten Schritt musste eine Bildverarbeitungssoftware mit künstlicher Intelligenz (KI) darauf trainiert werden, die Ungräser von den Kulturgräsern zu unterscheiden.
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Dabei war es außerdem wichtig, dass die Software den genauen Zielort für den Laser ermittelt. Schließlich soll er den Vegetationskegel der anvisierten Unkrautpflanze möglichst punktgenau treffen.
Beides kann die Bildverarbeitung vom LZH schon recht gut: Etwa 90 % der Pflanzen erkennt die KI richtig, wobei zweikeimblättrige Unkräuter besser erkannt werden als einkeimblättrige Gräser.
Hat die Software Pflanzen als Unkräuter bzw. Ungräser markiert, findet die KI beim aktuellen Stand der Entwicklung in 80 % der Fälle den Zielpunkt, und der Laser trifft mit einer Genauigkeit von 3 bis 5 mm. Der gesamte Rechenprozess muss sehr schnell gehen, denn das Erkennen und Markieren der Unkräuter und Ungräser sowie das anschließende Abschießen per Laser soll online während der Fahrt passieren. Anvisiert hat das LZH bei der Entwicklung des Unkrautlasers zunächst mal eine Fahrgeschwindigkeit von 2 km/h. Das entspricht einer Vorwärtsbewegung von mehr als einem halben Meter pro Sekunde. Da muss die KI schon recht schnell sein.
Der Laser zerstört die markierten Pflanzen, die nicht-markierten lässt er aus.
(Bildquelle: LZH)
Hier am Versuchsstand: Die Bildverarbeitung hat Unkräuter erkannt und markiert.
(Bildquelle: Böhrnsen)
Hitze tötet Zellen
Beim Auftreffen des feinen Laserstrahls mit weniger als 5 mm Durchmesser steigt die Temperatur in der Pflanze auf mehr als 100 °C. Die betroffenen Pflanzenzellen sind damit zuverlässig zerstört. Und wie Wärmebild-Aufnahmen des LZH zeigen, bleibt eine zellzerstörende Temperatur von rund 55 °C über mehrere Sekunden erhalten.
Um herauszufinden, welche Energie nötig ist, um Pflanzen mittels Laserbehandlung zum Absterben zu bringen, hatten die Wissenschaftler des LZH Bestrahlungsversuche an Gefäßpflanzen mit zunehmender Dosis (8, 15 und 22 Joule) durchgeführt. Ergebnis: Eine geringe Dosis verzögert den Wuchs, eine hohe Dosis führt zur totalen Schädigung der Pflanze.
Laser ausrichten
Im zweiten Schritt entwickelte das LZH einen Laser-Applikator für ein Versuchsträgerfahrzeug bzw. im Projekt WeLASER für einen Feldroboter. Hierbei galt es, die nächste Schwierigkeit zu bewältigen: Der Laser braucht freies Schussfeld. Jedoch sind die Zielorte manchmal von Pflanzenblättern verdeckt. Deshalb probierten die Wissenschaftler im Projekt LURUU verschiedene Einfallswinkel zwischen 11 und 45 Grad zur Senkrechten. Der Laser sollte Gräser am besten schräg von oben und nicht senkrecht von oben treffen. Wie sich herausstellte, scheint ein Einfallswinkel von 22 Grad zur Senkrechten die besten Ergebnisse zu liefern.
Für eine erste Praxisanwendung baute das LZH einen Geräteträger für die elektronischen Komponenten. Dazu gehören neben Kameras und den Lasermodulen die Steuerungselektronik für den Laserapplikator sowie eine Wasserkühlung. Das LZH entwickelt die Applikatoren, die die Laserstrahlen zum Zielort lenken. Das Umlenken der Laserstrahlen geht mit Spiegeln.
Im Projekt WeLASER wurde ein Unkrautlaser mit 2 m Arbeitsbreite an einem Feldroboter von Agreenculture angebaut und eingesetzt. Hier sind in der Laserbox bis zu vier Lasermodule untergebracht, die sich gegenseitig unterstützen.
Beschäftigt hat sich das LZH im Rahmen des Projekts LURUU auch mit den Fragen, wann und wie oft eine Laserbehandlung zur Bekämpfung von Ungräsern und Unkräutern in Getreide durchgeführt werden sollte. Dazu führten sie auf einer Versuchsparzelle den Lasereinsatz an einem frühen und einem späten Termin sowie eine zweimalige Behandlung durch.
Ergebnis: Der Behandlungszeitpunkt ist essenziell. So lag der Bekämpfungserfolg des späten Einsatzes (BBCH 21) nur bei ca. 20 %, während die frühere Behandlung (BBCH 13) ca. 65 % Bekämpfungserfolg erreichte und eine zweimalige Behandlung (BBCH 13 plus BBCH 22) mit ca. 85 % am besten abschnitt. Somit ist klar, die Praxislösung wird nicht der Laser allein sein, sondern eine Kombination aus Laser und Herbizid oder auch aus Laser und Hacke.
Laser plus Hacke
Mit dem Hybridsystem Hacke plus Laser beschäftigt sich das Projekt LUM. Denn etwa 90 % der Fläche können von Standardreihenhacken gehackt werden. Hacksysteme mit Inrow-Werkzeugen schaffen es sogar, bis zu 97 % der Fläche zu bearbeiten. Die Unkräuter auf den letzten 3 % der Fläche könnte dann der Laser eliminieren.
Für die nicht-chemische Bekämpfung von Unkräutern in Zuckerrüben wird in dem Projekt das Laserbehandlungsmodul mit einer Inrow-Hacke von der Firma K.U.L.T. kombiniert. Das Gerät hierfür besteht aus zwei Komponenten: einem Serverschrank und dem eigentlichen Laserbehandlungsmodul. Der Laserscanner im Modul ist mit zwei Spiegeln ausgestattet. Diese positionieren den Laser. Außerdem sind in dem Modul 3D-Kameras untergebracht, um die Unkrautpflanzen und ihre Vegetationskegel lokalisieren zu können. Zusätzlich gibt es eine Wärmebildkamera für die Prozessüberwachung.
Das Verfahren sieht vor, das der Laser zuerst den Nahbereich etwa 4 cm um die Kulturpflanzen herum behandelt. Danach folgt die Hacke. Grund für diese Reihenfolge ist zum einen ein rein pragmatischer: Nur vor der Hacke ist Platz für das Lasermodul. Aber zum anderen ist es durchaus sinnvoll, erst zu lasern und dann zu hacken, weil die Hacke eventuell Unkräuter nahe der Rübenpflanze verschüttet.
Praktiker werden an dieser Stelle fragen: Ist eine Kombination von Hacke und Laser in einem Gerät überhaupt sinnvoll? Denn schließlich könnte die Hacke mit höherer Fahrgeschwindigkeit arbeiten als der Laser. Andererseits ließe sich der Laser auch bei feuchten Bodenbedingungen einsetzen. Das sei richtig, so die Aussage des wissenschaftlichen Mitarbeiters am LZH. Doch sei in jedem Fall langfristiges Ziel, dass das Lasersystem mit Bilderkennung zukünftig genauso schnell ist wie die Hacke.
Was uns sonst noch auffiel:
Partner im Projekt LURUU sind das LZH, die Landwirtschaftskammer Niedersachsen, das Netzwerk Ackerbau Niedersachsen sowie zwei Landwirte aus Sehnde und Isernhagen in Niedersachsen.
Projektpartner in LUM sind neben dem LZH die Firmen K.U.L.T., Novanta Europe, Lumics und Escarda Technologies sowie der Dachverband Norddeutscher Zuckerrübenanbauer.
WeLASER ist ein europäisches Innovationsprojekt. Daran beteiligt sind Forschungsinstitutionen, Unternehmen und Nichtregierungsorganisationen aus dem Agrarbereich aus acht EU-Staaten, unter anderem das Laser Zentrum Hannover.
Fazit
Resistenzen gegen Herbizide nehmen zu, insbesondere bei Ackerfuchsschwanz. Deshalb startete das Laser Zentrum Hannover gemeinsam mit Partnern das Projekt LURUU. Hierin ging es darum, Unkräuter und Ungräser per Kamera zu erkennen und zu orten, um sie dann mittels Laser zum Absterben zu bringen. Technisch ist das möglich. Die KI-gestützte Bildauswertung ist mittlerweile so gut, dass sich je nach Einsatzzeitpunkt und -häufigkeit im Parzellenversuch Bekämpfungserfolge bis 85 % erzielen ließen. Dennoch wird es einen praxisreifen Unkrautlaser wohl in den nächsten fünf Jahren noch nicht geben, so die Einschätzung eines am Projekt teilhabenden Landwirts. Erste Ansätze für eine Überführung der neuen Technik in die Praxis sind aber da.
Das Laser Zentrum Hannover
Das Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH) ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung, die Lasersysteme inklusive Komponenten für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt, z. B. für die Medizintechnik, die Weltraumtechnik oder für das Trennen und Schweißen von zum Teil exotischen Materialien wie Titan oder Magnesium. Auch für pulverbasiertes Auftragsschweißen entwickelt das LZH Lasertechnik.
Noch relativ neu sind Anwendungen im Bereich „Food & Farming“. Beispielsweise lassen sich mit einem Laser Schweineschwarten markieren oder Lebensmittel entkeimen sowie Schädlinge in Gewächshäusern abtöten oder eben auch im Feld selektiv Unkräuter veröden.
Das LZH wurde 1986 gegründet und beschäftigt inzwischen rund 150 Forschende. Die Projekte sind überwiegend aus Drittmitteln finanziert. So wurde z. B. das Projekt LURUU mit EU-Geldern aus den sogenannten ELER-Fonds zur Entwicklung des ländlichen Raums von Februar 2020 bis April 2023 gefördert, und das im April 2021 gestartete Projekt LUM erhält bis März 2024 Mittel vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Darüber hinaus erhält das LZH auch immer wieder Aufträge aus der Industrie.
