Hydroponik – Alles, was Sie wissen müssen

Was ist Hydroponik

Hydroponik ist eine Anbaumethode, bei der Pflanzen in Wasser statt in Erde wachsen. Sie ist Teil der umfassenderen „bodenlosen“ Anbaumethoden, zu denen Aquaponik und Aeroponik gehören.

Meistens erfolgt der Anbau mit den Pflanzenwurzeln im Wasser, gelegentlich kann er jedoch auch in anderen Substraten wie Gelen oder einem inerten Medium wie Perlit, Kies usw. durchgeführt werden.

Da kein Boden vorhanden ist, erfolgt die Nährstoffversorgung der Pflanzen mit mineralischen Elementen durch deren Auflösung im Wasser. In vielen Fällen entspricht der hydroponische Anbau dem Indoor-Anbau, wobei das Licht durch künstliche Beleuchtung bereitgestellt wird. Hydroponik ist jedoch auch im Freien möglich, da sie „freies“ Sonnenlicht bietet, allerdings auf Kosten eines erhöhten Kontaminationsrisikos (siehe unten).

Die Größe des Hydroponik‑Marktes wuchs auf fast 5 Mrd. $ im Jahr 2023 und wird voraussichtlich bis 2030 mit einer CAGR von 12,4 % wachsen.

Die Wissenschaft der Hydroponik

Während die meisten Pflanzen mit hydroponischen Systemen angebaut werden können, benötigen einige ein Substrat, um ihre Wurzeln zu verankern. Deshalb werden inerte Substrate wie Kokosfasern, Vermiculit (ein Silikatgestein) und Perlit (ein amorphes vulkanisches Glas) verwendet.

Quelle: Climate Control

Nährstoffe wie Phosphat, Kalium und Stickstoff („NPK“) sowie Mikronährstoffe werden ins Wasser gelöst, was eine fast 100 %ige Effizienz bei der Düngemittelverwendung ermöglicht.

Hydroponik kann in zwei verschiedene Konstruktionsarten unterteilt werden: offene und geschlossene Systeme.

Offene Systeme: erfordern, dass das nährstoffbeladene Wasser vom Reservoir in die Wachstumszelle fließt.
Geschlossene Systeme: haben die Wurzeln direkt in der Nährlösung eingetaucht und benötigen daher keine Pumpen.

Passive Systeme, im Gegensatz zu aktiven Systemen, sind hydroponische Systeme, die keine elektrischen Komponenten wie Pumpen, Belüftung, künstliche Beleuchtung und Zeitschalter benötigen.

Was kann mit Hydroponik angebaut werden

Hydroponik wird verwendet, um viele verschiedene, wertvolle und empfindliche Nutzpflanzen anzubauen. Die häufigsten davon sind in folgender Reihenfolge: Tomaten, Kräuter, Salat, Gurken.

Quelle: Grand View Research

Eine weniger dokumentierte, aber bedeutende Anwendung von Hydroponik ist der Anbau von Cannabis im kleinen oder mittleren Maßstab. Während diese Praxis in den meisten Ländern illegal bleibt, gibt es eine wachsende Zahl von Nationen, die den Anbau solcher Pflanzen mit entsprechender Lizenz in einem kommerziellen Umfeld erlauben – Kanada ist ein herausragendes Beispiel dafür.

Viele kommerzielle Cannabisanbauunternehmen in den US-Bundesstaaten, in denen der Cannabisanbau legal ist, bevorzugen den Anbau in Gewächshäusern. Hier werden hydroponische Methoden eingesetzt, um ein konsistenteres Ergebnis zu erzielen als mit Erde.

Die Vorteile der Hydroponik

Kontrolle

Der Hauptvorteil der Hydroponik ist das Maß an Kontrolle, das die Technik bietet. Dies gilt insbesondere in Kombination mit Indoor-Anbau im Vergleich zum Anbau in Erde oder sogar Gewächshäusern. Das führt zu mehreren Vorteilen für den kommerziellen Anbau.

Sie kann konsistentere Ergebnisse liefern. Zum Beispiel die genaue chemische Zusammensetzung einer Cannabispflanze, die später für die Herstellung von Pharmazeutika verwendet werden soll. Das ermöglicht Forschungs‑ und Entwicklungsarbeiten, die perfekten Bedingungen zu finden, was zu einem Produkt von höchster Qualität führt.

Sie kann zudem mehr Kontrolle über den Wachstumszeitpunkt ermöglichen, um eine sehr konsistente und stabile Produktion zu erzielen. Das ist besonders wertvoll für Produkte mit relativ konstanter Nachfrage, aber saisonalen Produktionsspitzen, wie Tomaten oder Beeren.

Durch die Kombination dieser Möglichkeiten kann das erzielte Kontrollniveau genutzt werden, um die Wachstumsrate, den Geschmack, das Aroma oder das Aussehen des Endprodukts zu optimieren, was wahrscheinlich einen Preisaufschlag rechtfertigt.

Schließlich kann es auch zur Überwachung der Pflanzen und zur frühzeitigen Erkennung von Problemen eingesetzt werden.

Platz

Dank optimaler Bedingungen können pro Quadratmeter mehr Pflanzen angebaut werden als unter anderen Bedingungen. Das macht es zu einer guten Option für die Stadtlandwirtschaft, wie in unserem Artikel „Urban Agriculture skalieren, um viele Vorteile zu bringen“ diskutiert wird. So kann Nahrung lokal angebaut werden, anstatt sie über Hunderte oder Tausende von Meilen zu importieren, selbst wenn Land und Raum vor Ort teurer sind.

Es wird eine äußerst wertvolle Anbaumethode für schwierige Umgebungen wie zukünftige Mond‑ oder Marsbasen sein, wo prohibitativ hohe Transportkosten lokal angebautes Essen besonders wertvoll machen.

Nährstoffbedarf und Abfälle

Wie bereits erwähnt, weil die Nährstoffe im Wasser sind und dieses Wasser in den Wachstumskammern und/oder einem Reservoir verbleibt, gibt es keinen Nährstoffverlust im System, außer dem, was effektiv von der Pflanze während ihres Wachstums aufgenommen wird.

Quelle: Unsplash

Dadurch wird der Düngemitteleinsatz für den Anbau der Pflanzen so nah wie möglich an das Optimum gebracht. In traditionelleren Anbaumethoden führt der Überdüngung in offenen Feldern zu zahlreichen Problemen. Diese reichen von Beschädigungen der Bodenökosysteme über giftige Algenblüten bis hin zur Eutrophierung von Süßwassergewässern. Daher ist die Reduzierung der Düngemittel, die in die Umwelt gelangen, ein wichtiger und oft übersehener ökologischer Aspekt.

Quelle: Britannica

Wassernutzung

Entgegen dem Anschein verbraucht Hydroponik deutlich weniger Wasser als traditionelle Anbaumethoden. Das gilt sowohl für den Anbau auf offenen Feldern als auch in Gewächshäusern.

Dies liegt daran, dass die Verdunstung des Wassers aufgrund des geringen Oberflächenkontakts mit der Luft auf ein Minimum reduziert wird und das Wasser nicht in den Boden austritt. Im Wesentlichen bleibt das Wasser im geschlossenen System.

Infolgedessen kann Hydroponik nur ein Zehntel des Wassers im Vergleich zu herkömmlichen Feldbewässerungsmethoden verbrauchen. Das macht es zu einer ausgezeichneten Option für Gebiete mit Wasserknappheit und/oder Pflanzen, die besonders viel Wasser benötigen, wie Blattgemüse.

Arbeitsintensität

Da die Pflanzen in einer kontrollierten und maßgeschneiderten Umgebung wachsen, können sie so gestaltet werden, dass die Arbeitskosten optimiert werden. Automatisierung kann die meisten gefährlichen traditionellen landwirtschaftlichen Arbeiten ersetzen, und Pflanzen, die bereits in Töpfen ohne Erde wachsen, sparen Zeit beim Ernten, Reinigen und Verpacken.

Die Nachteile der Hydroponik

Kosten

Die Hauptbeschränkung der Hydroponik sind die Kosten. Da sie dedizierte Einrichtungen und häufig Pumpen, Belüftung usw. erfordert, ist sie wesentlich teurer in der Einrichtung als traditionelle Anbaumethoden. Dies wird in kalten Klimazonen, die zusätzliche Hardware wie Klimakontrolle und künstliche Beleuchtung benötigen, weiter verschärft – was die Energiekosten der Anbauoperationen zusätzlich erhöht.

Aufgrund dieser Einschränkung konzentrieren sich die meisten kommerziellen Betriebe, die auf Hydroponik setzen, auf hochwertige Nutzpflanzen wie Früchte, Beeren, Blattgemüse, Cannabis usw., um ihre Investitionsrendite zu maximieren.

Bis heute hat dieses Problem die breitere Einführung von vertikaler Landwirtschaft im Allgemeinen behindert, einschließlich nicht nur Hydroponik, sondern auch Aquaponik und Aeroponik.

Resilienz

Hydroponiksysteme sind per Definition künstlicher als Feldkulturen. Das bedeutet, dass sie von den folgenden Faktoren abhängig sind, die reibungslos funktionieren müssen:

• Lieferkette für Teile und Komponenten.
• Stromversorgung.
• Elektronisch vernetztes System für hochautomatisierte und fortschrittliche Abläufe.
• Qualifizierte Arbeitskräfte, die die erforderliche Überwachung und Wartung effizient durchführen können.

Obwohl es Möglichkeiten gibt, diese Risiken zu mindern, etwa durch Systemredundanz oder größere Lagerbestände (was die Einrichtungskosten erhöht) oder durch lokalisierte Energieversorgung mittels erneuerbarer Stromerzeugung, wird Hydroponik niemals so resilient sein wie eine regenbewässerte Kultur auf einem offenen Feld.

Wasserübertragene Krankheiten & Algenkontamination

Erreger

Das Entfernen von Erde eliminiert offensichtlich alle Risiken im Zusammenhang mit bodenbürtigen Krankheiten, bedeutet jedoch auch, dass ein ganzes Ökosystem nützlicher Mikroben, die vor Pflanzenerkrankungen schützen, entfernt wird. Gleichzeitig kann das ständig zirkulierende Wasser ein Vektor für die Verbreitung anderer Erreger sein, sodass nachteilige Ereignisse in hydroponischen Systemen verheerend sein und noch schneller auftreten können.

Die beiden häufigsten Organismen, die Hydroponikkrankheiten verursachen, sind Pythium und Phytophthora, beides Pilzkrankheiten. Pythium kann alle Pflanzen befallen, während Phytophthora hauptsächlich Blütenkulturen betrifft.

Um diese Probleme zu bewältigen, setzen Landwirte typischerweise regelmäßig geplante Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen sowie den Einsatz von Filtern ein, die das Risiko wasserübertragener Pflanzenerreger erheblich reduzieren können. Darüber hinaus sind regelmäßige Tests und Überwachungen ebenso hilfreich, um frühe Anzeichen einer Kontamination zu erkennen.

Für große Installationen werden zudem mehrere parallele und voneinander unabhängige Hydroponiksysteme empfohlen, um eine weit verbreitete Kontamination zu vermeiden. Die Kontrolle des pH‑Werts des Wassers kann das Pilzwachstum reduzieren.

Algen

Ein weiterer Kontaminant, der Hydroponiksysteme beeinträchtigen kann, sind Algen. Während das Wasser die perfekte Nährstoffmischung für das Pflanzenwachstum enthält, ist dieselbe Mischung gleichzeitig die ideale Umgebung für einzellige Algen. Wenn vorhanden, bilden Algen eine schleimige und schwer zu reinigende Schicht auf Oberflächen und können sogar Wasserfilter oder kleine Schläuche verstopfen.

Obwohl Hydroponiksysteme sich nicht um Unkraut wie auf einem Feld kümmern müssen, sind Algen im Wesentlichen gleichwertig. Wie Unkraut entziehen Algen den Pflanzen ihre Nährstoffe, was das Wachstum und die Gesundheit der Pflanzen reduziert.

Zusätzlich reduzieren Algen die Sauerstoffkonzentration im Wasser. Die erste Folge ist, dass sie die Pflanzenwurzeln und ihr Wachstum schädigen können. Das zweite Problem ist, dass sie das Wachstum von Pilzkrankheiten wie Pythium begünstigen.

Es gibt verschiedene Methoden, um das Algenwachstum zu kontrollieren, von der Verwendung von Filtern zur Reinigung des einströmenden Wassers bis hin zur Bestrahlung des Wassers mit UV‑Licht, um die Algen abzutöten (UV‑Lampen werden routinemäßig eingesetzt, um Mikroorganismen zu töten und Trinkwasser in öffentlichen Versorgungsanlagen zu erzeugen).

Innovation in der Hydroponik

LED-Beleuchtung

LED‑Lampen sind eine entscheidende Technologie in der Hydroponik und machen die gesamte Praxis im kommerziellen Maßstab machbar. Das liegt daran, dass solche Lampen deutlich weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Lichtquellen, länger halten und wesentlich weniger Wärme abgeben.

Außerdem ist nicht das gesamte sichtbare Lichtspektrum für die Photosynthese der Pflanzen hilfreich, sodass dedizierte LEDs ohne grünes Licht eingesetzt werden können, um den Stromverbrauch der künstlichen Beleuchtung weiter zu reduzieren.

Quelle: Agritecture

IoT & Sensorbasierte Automatisierung

Die sinkenden Kosten für Sensoren und Elektronik haben eine kontinuierliche Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, pH‑Werten und Nährstoffvolumen ermöglicht.

Obwohl fortschrittlicher, hilft diese sensorbasierte Landwirtschaft, die Wachstumsbedingungen in Echtzeit zu verfolgen und anzupassen, um optimale Erträge zu gewährleisten und die Gewinnspanne des Anbauers zu steigern.

KI-basierte Technologien

Wie bereits erwähnt, erfordert Hydroponik ein intensives Maß an Überwachung des Wassersystems, von Krankheiten, Nährstoffwerten usw. In diesem Zusammenhang wird KI zunehmend eingesetzt, um bestehende Umweltbedingungen zu optimieren, einschließlich Lichtintensität, Luftfeuchtigkeit und Nährstoffgehalte.

KI hilft zudem, Investitionen zu optimieren und Kosten zu senken, indem sie personalisierte Wachstumspläne für jede Pflanzenart erstellt.

Sie kann auch maschinelles Sehen oder biochemische Tests einsetzen, um vor dem Auftreten von Erregern zu warnen, bevor ein Mensch es überhaupt bemerken könnte.

Schließlich können wir uns mit dem Aufkommen autonomer Agrarroboter ein hydroponisches System vorstellen, in dem das Pflanzen, Beschneiden, Ernten und Ersetzen von Pflanzen vollständig automatisch erfolgt.

Neue landwirtschaftliche Innovationen

Der hydroponische Anbau ermöglicht eine direkte Kontrolle über Pflanzen in einer Weise, die im traditionellen Anbau unmöglich ist. Das eröffnet die Möglichkeit, neue Wege zur Steigerung der Ertragsproduktivität zu erforschen, die über den bloßen Zugang zu Licht oder Nährstoffen hinausgehen.

Zum Beispiel untersuchen wir eine solche Option in unserem Artikel „Strom zur Beschleunigung des Wachstums in hydroponischen Kulturen“. Forscher verwendeten ein maßgeschneidertes künstliches Substrat, oder „leitfähiger Boden / eSoil“, das aus Zellulose (dem Hauptbestandteil von Papier) gemischt mit einem leitfähigen Polymer namens PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophen) besteht.

Auf diese Weise konnten sie die Sämlinge einer kontinuierlichen Niederspannung aussetzen, was zu einer 50 %igen Steigerung der Wachstumsrate führte.

Quelle: PNAS

Dies ist ein Beispiel dafür, wie hydroponische Systeme dank ihres höheren Kontrollniveaus erhebliche Produktivitätsgewinne ermöglichen können.

Aufbau einer Hydroponik-Installation

Bei der Planung einer Hydroponik-Installation sollte die erste Frage lauten – Warum Hydroponik gegenüber anderen Anbaumethoden wählen? Es kann viele Gründe geben:

• Wassereinsparung oder Reduzierung von Verschmutzung.
• Möglichkeit, mit neuen Anbaumethoden zu experimentieren.
• Kleinmaßstäblicher Hausverbrauch oder pädagogische Werkzeuge.
• Großflächiger Anbau von hochwertigen, wertvollen Nutzpflanzen.

Ein kommerzieller Betrieb muss die verfügbaren Ressourcen mit den Anfangskosten ausbalancieren und gleichzeitig versuchen, die Betriebskosten zu minimieren. Die Berücksichtigung lokaler Märkte und Margen ist bei der Auswahl der Kulturpflanzen von großer Bedeutung. Auch das Automatisierungsniveau und die Reife der eingesetzten Technologie sollten berücksichtigt werden.

Ein selbstgebautes Kleinmaßstabssystem muss an die technischen Fähigkeiten der Erbauer und Nutzer angepasst werden, da ein „optimiertes“, aber zu komplexes Design wahrscheinlich nicht gut funktioniert. In diesem Fall sind Standardkomponenten wahrscheinlich die bessere Wahl.

Ein System, das darauf ausgerichtet ist, ein spezifisches Problem zu lösen, wie Wasserknappheit, muss sich auf diese Kennzahl konzentrieren, insbesondere wenn dadurch andere Elemente weniger optimiert werden.

Hydroponik als Teil eines größeren Systems, etwa in Kombination mit Aquakultur (Aquaponik), muss unter Berücksichtigung der anderen Schritte und Komponenten konzipiert werden.

Fazit

Hydroponik ist ein leistungsstarker Ansatz für Anbausysteme und bietet außergewöhnliche Kontrollmöglichkeiten über die Wachstumsbedingungen. Diese Systeme sind in der Regel sehr effizient und optimieren den Einsatz von Düngemitteln und Wasser. Das macht sie zu einer idealen Methode für den kommerziellen Anbau von schwer zu kultivierenden Pflanzen oder hochwertigen Produkten, bei denen perfektes Timing, Geschmack, Zusammensetzung, Aussehen oder andere qualitative Kennzahlen einen deutlich höheren Preis rechtfertigen.

Dank seiner Dichte und hohen Produktivität ist es auch ein gutes System für die Lebensmittelproduktion im Hausmaßstab oder die Stadtlandwirtschaft, wo Platz häufig ein begrenzender Faktor ist.

Es ist jedoch ein deutlich komplexeres System als traditionelle Landwirtschaft oder Gartenarbeit. Das macht es teurer, technischer in Installation und Wartung und anfälliger für spezielle Probleme wie Algenkontamination und wasserübertragene Krankheiten, die durch dedizierte Lösungen gemanagt werden müssen. In bestimmten Fällen wird es für Personen oder Unternehmen, denen die technischen Fähigkeiten fehlen, um diese internen Herausforderungen zu bewältigen, gleichermaßen schwierig sein.

Insgesamt ist Hydroponik, obwohl sie wahrscheinlich nicht so kosteneffizient ist wie in großen Mengen zu niedrigen Preisen auf offenen Feldern angebaute Pflanzen, eine gute Lösung für spezifische Probleme oder eine geeignete Methode zum Anbau hochwertiger, lokaler Produkte.