Hydroponik – Alles, was Sie wissen müssen

Was ist Hydroponik?

Hydroponik ist eine Anbaumethode, bei der Pflanzen im Wasser statt im Boden wachsen. Es ist Teil der umfassenderen „erdlosen“ Anbaumethoden, zu denen Aquaponik und Aeroponik gehören.

Meistens erfolgt die Kultivierung mit den Wurzeln der Pflanze im Wasser, gelegentlich kann sie jedoch auch in anderen Substraten wie Gelen oder einem inerten Medium wie Perlit, Kies usw. erfolgen.

Da kein Boden vorhanden ist, erfolgt die Ernährung der Pflanzen mit mineralischen Elementen durch die Lösung im Wasser. In vielen Fällen ist der Hydrokulturanbau gleichbedeutend mit dem Indoor-Anbau, bei dem das Licht durch künstliche Beleuchtung bereitgestellt wird. Allerdings ist Hydrokultur auch im Freien möglich, da sie „kostenloses“ Sonnenlicht bietet, allerdings mit einem erhöhten Kontaminationsrisiko (siehe unten).

Die Größe des Hydrokulturmarktes wuchs auf Im Jahr 5 wird es fast 2023 Milliarden US-Dollar betragen und bis 12.4 voraussichtlich um 2030 % CAGR wachsen.

Die Wissenschaft der Hydroponik

Während die meisten Pflanzen mit Hydrokultursystemen gezüchtet werden können, benötigen einige ein Substrat, um ihre Wurzeln zu verankern. Aus diesem Grund werden inerte Substrate wie Kokosnuss, Vermiculit (ein Silikatgestein) und Perlit (ein amorphes Vulkanglas) verwendet.

Quelle: Climate Control

Nährstoffe wie Phosphat, Kalium und Stickstoff („NPK“) sowie Mikronährstoffe werden im Wasser gelöst, was eine nahezu 100-prozentige Effizienz beim Einsatz der Düngemittel ermöglicht.

Hydroponik kann in zwei verschiedene Arten von Designs unterteilt werden: offene und geschlossene Systeme.

Offene Systeme: erfordern, dass das nährstoffreiche Wasser vom Reservoir zur Wachstumskammer fließt.
Geschlossene Systeme: Da die Wurzeln direkt in die Nährlösung eingetaucht sind, sind keine Pumpen erforderlich.

Passive Systeme sind im Gegensatz zu aktiven Systemen hydroponische Systeme, die keine elektrischen Komponenten wie Pumpen, Belüftung, künstliches Licht und Zeitschaltuhren benötigen.

Was kann man mit Hydroponik anbauen?

Hydroponik wird zum Anbau vieler verschiedener hochwertiger und empfindlicher Pflanzen eingesetzt. Die häufigsten davon sind in der Reihenfolge: Tomaten, Kräuter, Salat, Gurke.

Quelle: Großartige Forschung

Eine weitere weniger dokumentierte, aber bedeutende Anwendung der Hydrokultur ist der Cannabisanbau in kleinem oder mittlerem Maßstab. Während diese Praxis in den meisten Ländern immer noch illegal ist, gibt es eine wachsende Liste von Ländern, die den Anbau solcher Pflanzen mit der entsprechenden Lizenz in einem kommerziellen Umfeld zulassen – Kanada ist eines der besten Beispiele dafür.

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

Die Vorteile der Hydrokultur

Kontrolle

Der Hauptvorteil der Hydrokultur liegt in der Kontrollierbarkeit dieser Technik. Dies gilt insbesondere in Kombination mit dem Indoor-Anbau im Vergleich zum Anbau im Boden oder sogar im Gewächshaus. Dies bringt zahlreiche Vorteile für den kommerziellen Anbau mit sich.

Es kann zu konsistenteren Ergebnissen führen. Beispielsweise die genaue chemische Zusammensetzung einer Cannabispflanze, die später zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet werden soll. Dies ermöglicht Forschungs- und Entwicklungsbemühungen, um die perfekten Bedingungen zu finden, was zu einem Produkt höchster Qualität führt.

Dies kann auch zu einer besseren Kontrolle über den Wachstumszeitpunkt führen, um eine sehr gleichmäßige und stabile Produktion zu erzielen. Dies ist sehr wertvoll für Produkte mit relativ konstanter Nachfrage, aber saisonalen Produktionsspitzen auf den Feldern, wie Tomaten oder Beeren.

Durch die Kombination jeder dieser Fähigkeiten kann das ermöglichte Maß an Kontrolle genutzt werden, um die Wachstumsgeschwindigkeit, den Geschmack, den Geruch oder das Aussehen des endgültigen Pflanzenprodukts zu optimieren, das wahrscheinlich einen Preisaufschlag erzielen wird.

Schließlich können damit auch die Pflanzen überwacht und etwaige Probleme frühzeitig erkannt werden.

Raumnutzung

Dank optimaler Bedingungen können pro Quadratmeter mehr Pflanzen angebaut werden als unter anderen Bedingungen. Dies macht es zu einer guten Option für die städtische Landwirtschaft, wie in unserem Artikel „Skalierung der städtischen Landwirtschaft mit vielen Vorteilen„. Dies kann dazu führen, dass Lebensmittel lokal angebaut werden, anstatt über Hunderte oder Tausende von Kilometern importiert zu werden, selbst wenn Land und Raum vor Ort teurer sind.

Es wird eine äußerst wertvolle Anbaumethode für widrige Umgebungen wie zukünftige Mond- oder Marsbasen sein, wo unerschwinglich hohe Transportkosten die lokal angebauten Nahrungsmittelvorräte äußerst wertvoll machen werden.

Nährstoffbedarf und -verschwendung

Da sich die Nährstoffe wie bereits erwähnt im Wasser befinden und das Wasser in den Wachstumskammern und/oder einem Reservoir verbleibt, kommt es im System zu keinem Nährstoffverlust, abgesehen von dem, was die Pflanze während ihres Wachstums effektiv absorbiert.

Quelle: Unsplash

Dadurch wird der Düngemitteleinsatz für den Anbau der Pflanzen möglichst optimal gestaltet. Bei traditionelleren Ansätzen in der Landwirtschaft führt der übermäßige Einsatz von Düngemitteln auf offenen Feldern zu mehreren Problemen. Diese erstrecken sich auf Folgendes: Bodenökosysteme werden geschädigt zu giftige Algenblüte und hielt sogar Eutrophierung von Süßwasserkörpern. Daher ist die Reduzierung der Menge an Düngemitteln, die in die Umwelt gelangt, ein wichtiges und oft übersehenes ökologisches Anliegen.

Quelle: Briten

Wassernutzung

Entgegen dem Anschein verbraucht die Hydrokultur viel weniger Wasser als herkömmliche Anbaumethoden. Dies gilt unabhängig davon, ob es auf offenen Feldern oder in Gewächshäusern stattfindet.

Dies liegt daran, dass die Verdunstung von Wasser durch den minimalen Oberflächenkontakt mit der Luft auf ein Minimum beschränkt wird und nicht in den Boden gelangt. Im Wesentlichen bleibt das Wasser im geschlossenen System.

Dadurch kann die Hydrokultur möglichst wenig verbrauchen 1/10 der Wassermenge als bei herkömmlichen Bewässerungsmethoden für Feldfrüchte. Dies kann es zu einer hervorragenden Option für Gebiete mit Wasserknappheit und/oder besonders wasserhungrigen Pflanzen wie Blattgemüse machen.

Arbeitsintensität

Da die Pflanzen in einer kontrollierten und maßgeschneiderten Umgebung wachsen, können sie auch so gestaltet werden, dass die Arbeitskosten optimiert werden. Automatisierung kann die meisten der gefährlicheren traditionellen landwirtschaftlichen Arbeiten ersetzen, und Pflanzen, die bereits in Töpfen ohne Erde wachsen, können Zeit für Ernte, Reinigung und Verpackung sparen.

Die Nachteile der Hydrokultur

Kosten

Die größte Einschränkung der Hydrokultur sind ihre Kosten. Da hierfür spezielle Einrichtungen und häufig Pumpen, Belüftung usw. erforderlich sind, ist die Einrichtung viel teurer als bei herkömmlichen landwirtschaftlichen Methoden. Dies verschärft sich noch in kalten Klimazonen, die zusätzliche Hardware wie Klimatisierung und künstliches Licht erfordern – was jeweils nur die Energiekosten des Anbaubetriebs erhöht.

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

Bisher hat dieses Problem die breitere Einführung der vertikalen Landwirtschaft im Allgemeinen behindert, einschließlich nicht nur der Hydroponik, sondern auch der Aquaponik und Aeroponik.

Resilienz

Hydroponische Systeme sind von Natur aus künstlicher als Pflanzen auf freiem Feld. Das bedeutet, dass sie darauf angewiesen sind, dass jedes der folgenden Dinge reibungslos funktioniert:

• Lieferkette für Teile und Komponenten.
• Stromversorgung.
• Elektronisch vernetztes System für hochautomatisierte und fortschrittliche Abläufe.
• Fachkräfte, die in der Lage sind, die erforderliche Überwachung und Wartung effizient durchzuführen.

Obwohl es Möglichkeiten gibt, diese Risiken zu mindern, beispielsweise durch Systemredundanz oder größere Lagerbestände (die die Einrichtungskosten erhöhen) oder eine lokale Energieversorgung durch erneuerbare Stromerzeugung, wird Hydrokultur niemals so widerstandsfähig sein wie eine regenbewässerte Kultur im Freien Feld.

Durch Wasser übertragene Krankheiten und Algenkontamination

Krankheitserreger

Durch die Entfernung des Bodens werden natürlich alle Risiken im Zusammenhang mit bodenbedingten Krankheiten beseitigt, es bedeutet aber auch, dass ein ganzes Ökosystem nützlicher Mikroben entfernt wird, die vor Pflanzenkrankheiten schützen. Unterdessen kann das ständig zirkulierende Wasser ein Überträger für die Verbreitung anderer Krankheitserreger sein, was bedeutet, dass unerwünschte Ereignisse verheerend sein können und in Hydrokultursystemen noch schneller auftreten.

Die beiden häufigsten Organismen, die Krankheiten in der Hydrokultur verursachen, sind: Pythium und Phytophthora, beides Pilzkrankheiten. Pythium kann alle Pflanzen befallen, während Phytophthora vor allem Blumenkulturen befällt.

Um diese Probleme anzugehen, setzen Landwirte in der Regel regelmäßig geplante Maßnahmen ein Reinigungs- und Hygienepraktiken und die Verwendung von Filtern, was das Risiko von durch Wasser übertragenen Pflanzenpathogenen deutlich reduzieren kann. Darauf aufbauend sind regelmäßige Tests und Überwachungen ebenso hilfreich, um frühzeitig Anzeichen einer Kontamination zu erkennen.

Für große Anlagen werden auch mehrere parallele und nicht verbundene Hydrokultursysteme empfohlen, um eine weit verbreitete Kontamination zu vermeiden. Die Kontrolle des pH-Werts des Wassers kann dazu beitragen, das Pilzwachstum zu reduzieren.

Algen

Ein weiterer Schadstoff, der Hydrokultursysteme beeinträchtigen kann, sind Algen. Das Wasser enthält zwar die perfekte Nährstoffmischung für das Pflanzenwachstum, bietet aber gleichzeitig den idealen Lebensraum für einzellige Algen. Algen bilden eine schleimige und schwer zu reinigende Schicht auf Oberflächen und können sogar Wasserfilter oder kleine Schläuche verstopfen.

Während man sich bei hydroponischen Systemen nicht wie auf einem Feld um Unkräuter kümmern muss, sind Algen im Wesentlichen gleichwertig. Wie Unkräuter entziehen Algen den Pflanzen ihre Nährstoffe und beeinträchtigen so das Wachstum und die Pflanzengesundheit.

Darüber hinaus verringern Algen die Sauerstoffkonzentration im Wasser. Der erste Effekt besteht darin, dass es die Pflanzenwurzeln und ihr Wachstum schädigen kann. Das zweite Problem besteht darin, dass es das Wachstum von Pilzkrankheiten wie Pythium fördert.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Algenwachstum zu kontrollieren, von der Verwendung von Filtern zur Reinigung des einströmenden Wassers bis hin zur Einwirkung von UV-Licht auf das Wasser, um die Algen abzutöten (UV-Lampen werden routinemäßig zur Abtötung von Mikroorganismen bei der Trinkwasseraufbereitung in öffentlichen Versorgungsbetrieben eingesetzt).

Innovation in der Hydrokultur

LED-Beleuchtung

LED-Leuchten sind eine entscheidende Technologie in der Hydrokultur, da sie die gesamte Praxis im kommerziellen Maßstab umsetzbar macht. Denn solche Leuchten verbrauchen deutlich weniger Energie als herkömmliche Lichtquellen, halten länger und geben deutlich weniger Wärme ab.

Darüber hinaus ist nicht das gesamte sichtbare Lichtspektrum für Pflanzen bei der Photosynthese hilfreich, sodass spezielle LEDs ohne grünes Licht verwendet werden können, um den Stromverbrauch durch künstliche Beleuchtung weiter zu reduzieren.

Quelle: Landwirtschaft

IoT und sensorbasierte Automatisierung

Die sinkenden Kosten für Sensoren und Elektronik haben eine kontinuierliche Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht, pH-Wert und Nährstoffmenge ermöglicht.

Obwohl diese sensorbasierte Landwirtschaft fortschrittlicher ist, können die Wachstumsbedingungen in Echtzeit verfolgt und angepasst werden, um optimale Ernteerträge zu gewährleisten und so den Gewinn des Landwirts zu steigern.

KI-basierte Technologien

Wie bereits erwähnt, erfordert die Hydrokultur eine intensive Überwachung des Wassersystems, von Krankheiten, Nährstoffniveaus usw. Zu diesem Zweck wird KI zunehmend eingesetzt, um bestehende Umweltbedingungen, einschließlich Lichtverhältnisse, Luftfeuchtigkeit und Nährstoffniveaus, zu optimieren.

KI trägt auch dazu bei, Investitionen zu optimieren und Kosten zu senken, indem personalisierte Wachstumspläne für jeden Pflanzentyp erstellt werden.

Es kann auch maschinelles Sehen oder biochemische Tests nutzen, um vor dem Vorhandensein von Krankheitserregern zu warnen, bevor es ein Mensch jemals könnte.

Schließlich können wir uns mit dem Aufkommen autonomer Landwirtschaftsroboter ein Hydrokultursystem vorstellen, in dem das Pflanzen, Beschneiden, Ernten und Ersetzen von Pflanzen vollautomatisch erfolgen kann.

Neue landwirtschaftliche Innovationen

Der hydroponische Anbau ermöglicht eine direkte Kontrolle über Pflanzen, die in der traditionellen Landwirtschaft nicht möglich ist. Dies öffnet die Tür für Experimente nach neuen Wegen zur Steigerung der Pflanzenproduktivität, die über die Verbesserung des Zugangs zu Licht oder Nährstoffen hinausgehen.

Eine solche Option untersuchen wir beispielsweise in unserem Artikel „Strom soll das Wachstum von Hydrokulturen beschleunigen“. Die Forscher verwendeten ein maßgeschneidertes künstliches Substrat oder „leitenden Boden/eSoil“ aus Zellulose (dem Hauptbestandteil von Papier), gemischt mit einem leitfähigen Polymer namens „eSoil“. PEDOT (Poly(3,4-ethylendioxythiophen)).

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

Quelle: PNAS

Dies ist ein Beispiel dafür, wie Hydrokultursysteme dank ihres erhöhten Kontrollniveaus erhebliche Produktivitätssteigerungen bieten könnten.

Bau einer Hydrokulturanlage

Wenn Sie den Bau einer Hydrokulturanlage planen, sollte die erste Frage lauten: Warum Hydrokultur anderen Anbaumethoden vorziehen? Dafür kann es viele Gründe geben:

• Wasser sparen oder die Umweltverschmutzung reduzieren.
• Mit neuen Anbaumethoden experimentieren können.
• Kleiner Heimkonsum oder pädagogische Hilfsmittel.
• Anbau hochwertiger und hochwertiger Nutzpflanzen in großem Maßstab.

Je nach Antwort können unterschiedliche Hydrokultursysteme gewählt werden.

Ein kommerzieller Betrieb Sie müssen die verfügbaren Ressourcen mit den Anlaufkosten ausgleichen und gleichzeitig versuchen, die Betriebskosten zu minimieren. Die Berücksichtigung lokaler Märkte und Margen wird bei der Auswahl der Kulturpflanzen äußerst wichtig sein. Auch der Automatisierungsgrad und der Reifegrad der eingesetzten Technologie sollten berücksichtigt werden.

Ein selbstgebautes Kleinsystem muss auf die technischen Fähigkeiten der Erbauer und Nutzer zugeschnitten sein, da ein „optimiertes“, aber zu komplexes Design wahrscheinlich nicht gut funktioniert. Standardkomponenten sind in diesem Fall wahrscheinlich die bessere Wahl.

Ein System, das sich der Lösung eines bestimmten Problems widmetB. Wasserknappheit, müssen sich auf diese Kennzahl konzentrieren, insbesondere wenn dadurch andere Elemente weniger optimiert werden.

Hydrokultur als Teil eines größeren SystemsB. in Kombination mit Aquakultur (Aquaponik), müssen unter Berücksichtigung der anderen Schritte und Komponenten konzipiert werden.

Fazit

Hydroponik ist ein leistungsstarker Ansatz für Anbausysteme, der ein außergewöhnliches Maß an Kontrolle über die Wachstumsbedingungen bietet. Dabei handelt es sich in der Regel um sehr effiziente Systeme, die sich durch einen optimierten Einsatz von Düngemitteln und Wasser auszeichnen. Dies macht es zu einer idealen Anbaumethode im kommerziellen Maßstab für schwierig anzubauende Pflanzen oder hochwertige Produkte, bei denen perfektes Timing, Geschmack, Zusammensetzung, Aussehen oder andere qualitative Kennzahlen einen viel höheren Preis rechtfertigen können.

Dank seiner Dichte und hohen Produktivität ist es auch ein gutes System für die Lebensmittelproduktion im heimischen Maßstab oder für die städtische Landwirtschaft, wo der Platz oft knapp ist.

Es ist jedoch ein viel komplexeres System als die traditionelle Landwirtschaft oder der Gartenbau. Dies macht es teurer, technisch anspruchsvoller in der Installation und Wartung und anfälliger für einzigartige Probleme wie Algenkontamination und wasserbedingte Krankheiten, die durch spezielle Lösungen bekämpft werden müssen. In bestimmten Fällen wird es für Personen oder Unternehmen, denen die technischen Fähigkeiten zur Bewältigung dieser damit verbundenen internen Herausforderungen fehlen, eine ebenso große Herausforderung darstellen.

Insgesamt ist Hydrokultur zwar wahrscheinlich nicht so kosteneffizient wie Massenanbau zu niedrigen Preisen auf offenen Feldern, kann aber eine gute Lösung für spezifische Probleme oder eine gute Methode für den Anbau hochwertiger, lokaler Produkte sein.