Alles bio, aber ökonomisch und digital! – Warum die Bioökonomie mit den Mitteln der Digitalisierung die Welt retten kann

Annette Prochnow (Direktorin des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie), Niels Landwehr (Professor für Data Science in Agriculture) und Ulrike Lucke (Professorin für Komplexe Multimediale Anwendungsarchitekturen) (v.l.n.r.). | Foto: Tobias Hopfgarten.
Source: Tobias Hopfgarten
Annette Prochnow (Direktorin des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie), Niels Landwehr (Professor für Data Science in Agriculture) und Ulrike Lucke (Professorin für Komplexe Multimediale Anwendungsarchitekturen) (v.l.n.r.).

2020 ist das Jahr der Bioökonomie und alle Welt redet davon. Aber was genau ist Bioökonomie? Und was ist der nächste Schritt, die Digital Bioeconomy? Matthias Zimmermann wollte es genau wissen und fragte daher zwei Wissenschaftlerinnen, die diese mitentwickeln – die Direktorin des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) Prof. Dr. Annette Prochnow und die Potsdamer Informatikerin Prof. Dr. Ulrike Lucke.

Bioökonomie ist seit einiger Zeit in aller Munde. Was ist damit gemeint?

Prochnow: Wir am ATB verstehen darunter eine biobasierte Kreislaufwirtschaft. Genauer gesagt basiert sie auf Biomasse, biologischen Prozessen und biologischem Wissen. Was dazu gehört, lässt sich in drei Säulen beschreiben: Die erste Säule ist die Bereitstellung von Biomasse durch Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Fischerei usw. Die zweite Säule umfasst die Nutzung der Biomasse für unsere Ernährung und die dritte die stoffliche und energetische Nutzung. Wir sehen das – im Idealfall – als Kreislaufwirtschaft.

Warum ist der Begriff aktuell so populär?

Prochnow: Weil man mithilfe der Bioökonomie eine wichtige Herausforderung lösen kann, vor der die Menschheit steht: die ausreichende Versorgung der Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln und den Ersatz fossiler Rohstoffe durch erneuerbare.

Lucke: In den letzten Jahrhunderten verfuhr die Menschheit mit den Ressourcen der Erde eher im Einbahnstraßenmodus. Jetzt zeigt sich, dass das Ende dieser Straße erreicht ist.

Prochnow: Stimmt, es wurden immer nur Ressourcen entnommen, Produkte hergestellt und weggeworfen. Es wird immer mehr produziert und konsumiert, während die Ressourcen schwinden. Dazu kommen die verheerenden Folgen des Klimawandels. Wir wollen aus der Bioökonomie wieder einen Kreislauf machen. Die Hoffnung ist, dass unsere Forschung dies ermöglicht.

Kann die Bioökonomie denn tatsächlich unsere Klimakrise lösen?

Prochnow: Sie könnte es. Auf jeden Fall hat sie das Potenzial dazu. Denn die Krise entsteht wesentlich durch den Einsatz fossiler Brennstoffe. Was über lange Zeit hinweg aus der Atmosphäre herausgeholt und als Kohle, Öl und Gas gespeichert wurde, haben wir in kurzer Zeit wieder in die Atmosphäre zurückgebracht. Die Bioökonomie entwickelt Alternativen zu dieser fossilen Einbahnstraße.

Ein Blick zurück – wie hat sich die Bioökonomie entwickelt?

Prochnow: Lacht. Wir forschen eigentlich schon seit Jahrzehnten auf dem Gebiet – zu nachwachsenden Rohstoffen, Klimawandel, ressourcenschonender Landwirtschaft uvm. Der Begriff der Bioökonomie kam vor ungefähr zehn Jahren auf und ging auf Initiativen in der Europäischen Union zurück. Kernthemen sind die stoffliche und energetische Nutzung. So ist eines der Ziele, alles, was wir aus Öl herstellen, durch Produkte aus Naturfasern zu ersetzen: Biochemikalien, Öle, Farbstoffe, Klebstoffe uvm. Parallel dazu steht in Deutschland seit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von 2000 das Ziel einer energetischen Biomassenutzung im Fokus. Das ATB forscht klassischerweise zu Pflanzenbau und Tierhaltung, aber unsere drei Forschungsprogramme decken inzwischen alle genannten Säulen ab. Also neben der Landwirtschaft auch die Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln sowie die stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse. Mein Fachgebiet ist die Technikbewertung, also die Frage: Welche Auswirkungen haben unsere bioökonomischen Kreisläufe auf die Umwelt – und wie lassen sie sich minimieren oder positiv gestalten? Also: Wie können wir Treibhausgasemissionen vermeiden, das Wassermanagement in Landwirtschaftsbetrieben optimieren oder Stoffkreisläufe etwa von Stickstoff, Kohlenstoff und Phosophor umweltverträglich gestalten?

Frau Lucke, was haben Sie als Informatikerin mit Bioökonomie zu tun?

Lucke: Zunächst habe ich eine starke persönliche Beziehung dazu. In meiner Freizeit „stecke ich gern meine Finger in die Erde“. Als Informatikerin wird es für mich interessant, wenn Dinge komplexer werden. Und aktuell ist das bei vielen Systemen, die wir betrachten, der Fall, weil wir immer mehr darüber wissen oder erfassen können. Bislang wurden Systeme meist in weniger komplexe Teile zerlegt, um sie besser verstehen und steuern zu können. Damit werden wir den Systemen und ihrer Komplexität aber nicht mehr gerecht. Deshalb arbeite ich als Informatikerin daran, Systeme mit all ihren Bestandteilen, Wirkungen und Interaktionen zu analysieren. Und zwar seit einiger Zeit auch das Zusammenspiel mit Menschen, Pflanzen, Tieren und Umweltfaktoren.

Digital Bioeconomy – was ist das?

Lucke: Digital Bioeconomy führt bioökonomische Forschung mit den Möglichkeiten der Digitalisierung zusammen.

Prochnow: Die Bioökonomie umfasst eine enorme Vielfalt: Allein schon auf einem einzigen Feld ist keine Pflanze wie die andere, variieren die Wachstumsfaktoren von einem Meter zum nächsten. Dieser Vielfalt an Bedingungen wollen wir gerecht werden – indem wir effizient wirtschaften, aber auch umweltschonend arbeiten. Das können wir nur, wenn wir die hochkomplexen bioökonomischen Prozesse besser verstehen.

Lucke: Digital Bioeconomy braucht nicht nur neueste Sensortechnologie für immer detailliertere Messungen, sondern auch Modelle und Algorithmen, um das System zu beschreiben, sein Verhalten vorherzusagen. Leider verlangt Technik immer nach Standardisierung – dem Gegenteil der Vielfalt, die wir da vorfinden. Deshalb müssen wir weg von diesem Standardisierungsansatz, mit dem wir schon vorwegnehmen, was wir vorfinden werden. Vielmehr müssen wir uns Mechanismen überlegen, wie wir zum Beispiel mit unerwarteten Sensorwerten umgehen. Wir Menschen haben dafür unsere Intuition, aber Maschinen können das nicht und wir werden es ihnen nie beibringen können. Aber wir können uns überlegen, wie sie uns unterstützen können.

Prochnow: Die mathematischen Algorithmen können enorm helfen, wenn es darum geht, Massen an Informationen zu verarbeiten. Bei großen Betrieben mit viel Land und Tieren braucht es mitunter weniger Intuition – und mehr Automatisierung.

Ist die digitale Bioökonomie in der Praxis schon angekommen?

Prochnow: Tatsächlich findet man davon im Alltag noch erstaunlich wenig, wenn man bedenkt, dass dazu schon zwei Jahrzehnte geforscht wird. Aber der Einsatz muss sich eben ganz konkret rechnen – und bis dahin dauert es mitunter lange. Vielversprechende Ansätze gibt es beispielsweise für eine spezifische Düngung oder den Pflanzenschutz. Früher ging man mit der Hacke übers Feld und hat punktgenau das Unkraut entfernt. Heute wird voll mechanisiert gespritzt und gedüngt – mit Maschinen, die auf 30 Metern Breite oder mehr Dünge- oder Pflanzenschutzmittel einheitlich ausbringen. Wenn man mithilfe von Sensoren automatisch erkennen könnte, wo was steht und gedeiht, ließe sich punktgenau düngen oder sprühen. Das würde Düngemittel sparen und dafür sorgen, dass Pestizide nur dort gespritzt werden, wo es nötig ist.

Lucke: In der Tierhaltung wiederum wird Futter schon individualisiert ausgegeben …

Prochnow: Stimmt, das gibt es schon länger. Dabei wird etwa nach gegebener Milchmenge die Kraftfuttermenge bestimmt. Ein anderes großes, weil sehr komplexes Thema ist die Frage, wie sich das Tierwohl messen lässt …

Lucke: Das ist auch für die Informatik äußerst spannend. Immerhin ist es eine besondere Herausforderung herauszufinden, wie es der Kuh geht, ohne sie mit Sensoren zu belasten. So gibt es Ansätze, die Kuhställe mit Kameras auszustatten, um beispielsweise die Bewegungsmuster der Tiere zu erfassen und anschließend auszuwerten: Wann bewegen sie sich wie viel? Gibt es (un)normale Ruhezeiten? Gehen sie normal oder humpeln sie? Sogar die Mimik von Kühen lässt sich algorithmisch analysieren, um ihr Wohlbefinden zu bestimmen.

Prochnow: Hier am ATB wurde genau dazu ein Start-up ausgegründet: Es darum, die Atemfrequenz von Kühen zu analysieren, um daraus Rückschlüsse auf ihr Gesamtbefinden zu ziehen.

Wohin soll die „Reise“ der Bioökonomie gehen?

Prochnow: Wir erhoffen uns, dass wir die bioökonomischen Kreisläufe so anpassen können, dass sie unseren Bedürfnissen ebenso entsprechen wie denen der Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen ringsum. Wir wollen der Natur wieder näher kommen – und dadurch die Kreisläufe stabiler machen. Ob sie dadurch zugleich immer auch produktiver werden, sei dahingestellt, aber auf jeden Fall umwelteffizienter. Monokulturen sind anfällig – für Krankheiten oder andere Störungen. Wenn man Landwirtschaft vielfältiger gestalten kann, wird sie stabiler und auf lange Sicht auch effizienter.

Lucke: Effizienzdebatten orientieren sich oft an den kurzfristigen Kosten. Das ist gefährlich. Denn in der Breite und auf lange Sicht gesehen, sind die Gesamtkosten dadurch oft höher. Investitionen in ausgewogene bioökonomische Kreisläufe wären nicht nur umweltschonend, sondern könnten auch die Gesamtkosten senken.

Prochnow: Ein klassisches Beispiel sind Nitrate, die zur kurzfristigen Steigerung landwirtschaftlicher Erträge ausgebracht werden. Sie belasten unser Grundwasser – und kommen uns „hintenrum“, etwa im Gesundheitssystem, teuer zu stehen.

Wie ist die Zusammenarbeit zwischen dem ATB und dem Institut für Informatik und Computational Science (IfI) entstanden?

Prochnow: Wir entwickeln seit Jahren viele Sensoren, sammeln Unmengen an Daten – in denen wir zunehmend „ertrinken“. Mit dem, was wir an statistischen Methoden im Studium lernen, lassen sich diese Massen von Informationen nicht mehr auswerten. Wir haben einen enormen Bedarf an datenbasierten Anwendungen, Machine Learning und Wissensmodellierung. Deshalb sind wir sind auf das IfI zugegangen.

Lucke: Die Initiative ist bei uns im Institut auf fruchtbaren Boden gefallen. Es hat sich gezeigt, dass viele Kollegen daran Interesse haben. Irgendwie ist jeder persönlich betroffen und will sich beruflich einbringen und engagieren. Nach einigen Anlaufschwierigkeiten haben wir auch gelernt, die spezifische Wissenschaftssprache des jeweils anderen zu verstehen. Inzwischen ist mit der Professur für „Data Science in Agriculture“ daraus sogar schon eine gemeinsame Berufung entstanden.

Prochnow: Und wir wollen unsere Zusammenarbeit weiter intensivieren. Bald sollen gemeinsame Forschungsprojekte folgen.

 

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal - Eins 2020 „Bioökonomie“.