Das künstliche Paradies für Pflanzen

Neue Technologien erlauben es, Pflanzen durch maßgeschneidertes Kunstlicht besser wachsen zu lassen und sie leckerer und gesünder zu machen. So sieht das Paradies für uns Menschen aus", sagt Gertjan Meeuws und projiziert ein idyllisches Südsee-Insel-Bild mit Palmen, türkisfarbenem Meer, hellem Sandstrand und strahlender Sonne an die Wand. Für Pflanzen sähe das Paradies allerdings etwas anders aus, fügt der Geschäftsführer des niederländischen Unternehmens PlantLab an und ruft das nächste Bild auf. Darauf sind die Palmen in violettes Licht getaucht. Das Bild soll verdeutlichen, was man mit bloßem Auge nicht sehen kann: Pflanzen wachsen und gedeihen vor allem durch rotes und blaues Licht, das zusammen eben violett aussieht.

Meeuws entwickelt hermetisch abgeschirmte Hightech-Gewächshäuser, in denen Computer jeder Pflanzenart ihr eigenes Paradies schaffen. In Meeuws' technischem Fachjargon heißt das etwas trocken "PlantOS". Das "Pflanzenbetriebssystem" versorgt die Gewächse nicht nur mit Nährstoffen, Wasser, CO2 und Wärme, sondern auch mit dem richtigen Licht. Eine passende Beleuchtung spornt Pflanzen an, schneller zu wachsen, mehr Ertrag zu produzieren und kann sie sogar schmackhafter und gesünder machen. Deshalb suchen Wissenschaftler weltweit nach sogenannten Lichtrezepten – dem optimalen Mix von Wellenlänge, Dauer, Intensität und anderen Faktoren –, um Salate, Tomaten, Gurken und Erdbeeren je nach Wachstumsphase passend zu belichten.

Eine wachsende Zahl japanischer krisengeplagter Elektronikkonzerne wandeln derzeit ihre brachliegenden Fabriken um und züchten dort Salat, Gemüse sowie Obst. Die Technologie dieser Hightech-Pflanzenfabriken weckt auch zunehmend im Ausland Interesse. Da auf Pestizide verzichtet werden kann, stellt diese Anbauweise den Bio-Anbau in den Schatten.

Früher holten Gemüse- und Obstproduzenten mit Kunstlicht das komplette sichtbare Spektrum ins Gewächshaus. Das ist aber sehr energieintensiv, da Blätter etwa die Grünanteile zum Teil ungenutzt wieder reflektieren. Rote und blaue LEDs dagegen versorgen die Pflanzen gezielter und damit energiesparender mit genau dem Licht, das sie auch nutzen können.

Die jüngsten Fortschritte in der LED-Entwicklung haben dem relativ jungen Gebiet der Lichtrezepte den entscheidenden Schub verliehen. Inzwischen hat es sich zu einem eigenen Geschäft entwickelt. Das Ziel sind Gewächshäuser mitten in den Städten, damit durch die kürzeren Transportwege nicht nur frischere, sondern auch klimafreundlichere Ware in die Läden kommt.

Am weitesten ist wohl der Biochemiker Hiroyuki Watanabe an der Universität Tamagawa. Seit Anfang der Neunziger optimiert er Salatköpfe mit Licht. Er erinnert sich noch, wie er sofort die ersten blauen LEDs kaufte, als sie 1994 endlich auf den Markt kamen, obwohl sie wahnsinnig teuer waren. Glücklicherweise fiel der Preis immer weiter, gleichzeitig wuchs ihre Lebensdauer – und seine Forschung im Future SciTech Lab der Universität gedieh. Ihre Früchte erntet er heute, denn seine vollautomatisierte Technik hat es auf den Markt geschafft. Das Bauunternehmen Nishimatsu Construction hat sie lizenziert und betreibt bereits eine Salatfabrik, die ihre Produktion gerade ausbaut.

Vereinfacht gesagt, lässt blaues Licht den Salat zwar weniger wachsen, sorgt aber für einen höheren Vitamin-A-Gehalt und mehr gesunde, entzündungshemmende Polyphenole. Rotes Licht bedeutet mehr Wachstum und mehr Süße. Violett mit starkem Rotanteil kurbelt die Nährstoffproduktion an. Inzwischen experimentieren Watanabe und sein Team auch mit anderen Gemüsesorten wie Tomaten. Aus ihnen hat er bereits mehr vom Radikalfänger Lycopen herausgekitzelt, der ihnen gleichzeitig ihre rote Farbe gibt. Auch das Tunen von Kartoffeln steht in der hermetisch abgeschirmten Versuchsanlage auf dem Programm.

Hightech-Salatfabriken mit LED- und anderen Beleuchtungsanlagen schießen in Japan derzeit wie Pilze aus dem Boden. Betrieben werden sie nicht von Agrarunternehmen, sondern von großen Elektronikherstellern wie Toshiba, Fujitsu und Panasonic. Diese stützen sich dabei auf ihr Know-how etwa bei Reinraum- und Belüftungstechnik. Einer nach dem anderen wandelt seine ausgemusterten Produktionshallen und Reinräume in Zuchtstationen für großblättriges Gemüse um, in denen sich eng gestapelte Regale oft bis zur Decke erstrecken. Sensoren und Computer wachen über das Wohlbefinden der Pflanzen. Die Indoor-Farmen können schneller produzieren, und der pestizidfrei von Schädlingen abgeschirmte Salat bleibt, luftdicht abgepackt, wochenlang frisch. Selbst Fujitsus Salatfabrik in der Präfektur Fukushima, 100 Kilometer vom havarierten Atomkraftwerk entfernt, liefert garantiert reines Gemüse.

Ganz billig sind die Indoor-Salate mit teilweise über zwei Euro pro Kopf nicht. Die Regierung fördert deshalb das futuristische Agrargeschäft durch Beihilfen und hofft: Je mehr mitmachen, desto eher sinken die Preise. Bereits jetzt gibt es in Japan mehr als 300 solcher Anlagen, fast die Hälfte von ihnen setzt auf LEDs. Darüber hinaus wollen die Unternehmen ihre Technik auch ins Ausland exportieren, beispielsweise in den Mittleren Osten und nach Asien.

Sharp testet seit 2013 in Dubai, ob sich die Einrichtung einer vollautomatisch versorgten Erdbeerfabrik lohnen würde. "Die Firmen gehen in die Landwirtschaft, weil sie durch den wachsenden Einsatz von Computersteuerung mit die größten Produktivitätssprünge verspricht", erklärt Martin Schulz vom Fujitsu Research Institute, einem Think-Tank des Elektronikherstellers. Der Kritik, dass der hohe Strombedarf den Umweltvorteil zunichte macht, entgegnen die Befürworter: Künftig werden LEDs noch günstiger und energiesparender, wodurch der Preis weiter sinken sollte.

In Europa gehört Philips zu den Vorreitern. Im Geschäftsbereich "Gartenbau-Beleuchtung" untersucht der Elektronikkonzern die Wirkung verschiedener Lichtmixe auf biologische Prozesse in Nutzpflanzen. Daraus baut er eine Datenbank mit Basisrezepten auf und bietet Kunden an, diese an ihre Pflanzen und Anbauziele anzupassen. Dem belgischen Erdbeerproduzenten Alain Lutz half Philips, von Glühlampen auf sogenannte Blüh-LEDs inklusive Lichtrezept umzusteigen. Dem Unternehmen zufolge spart Lutz dadurch 85 Prozent Energie und kann statt im Mai bereits im Februar mit der Ernte beginnen. Wenn der Geschmack stimmt, dürfte das den Kunden sicherlich gefallen.

Entscheidend für die Akzeptanz sind aber auch weitere Faktoren. "Wir wissen, wie wir per Lichtkombination Entwicklung und Form einer Pflanze beeinflussen können – damit können wir zum Beispiel auch steuern, wie knackig Salat wird", erklärt die Pflanzenphysiologin Esther Hogeveen bei Philips. Und wer will das haben? Zum Beispiel ältere Menschen in Japan – die mögen ihren Salat eher bissfest, während die jüngere Generation ihn weicher bevorzugt.

Philips hofft, Obst und Gemüse künftig per Lichtmix noch gesünder zu machen. Ergänze man das starke Wachstumslicht mit schwächerem Licht in den richtigen Wellenlängen, erklärt Philips-Forscher Eugen Onac, ließe sich auch der Stoffwechsel der Pflanze beeinflussen. In ersten Versuchen mit Tomaten konnten seine Kollegen gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Wageningen den Vitamin-C-Gehalt von Tomaten verdoppeln. Darüber hinaus hoffen sie, mit dem richtigen Licht auch das Immunsystem von Pflanzen zu stärken und sie besser vor Krankheitserregern zu schützen. Welche Wellenlängen genau sich wozu eignen, verrät Philips nicht.

"Man könnte aus einer deutschen Tomate im Prinzip auch eine würzige italienische Gartentomate tunen", sagt Daniel Schubert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen. Dazu müsste man ihr unter anderem etwas mehr UV-Licht angedeihen lassen, denn davon bekommt die südländische Variante durch mehr Lichteinfall auch mehr ab. UV-Licht löst bei Pflanzen einen Schutzmechanismus aus, allerdings einen sehr angenehmen: Es kurbelt die Produktion von ätherischen Ölen an. Derselbe Effekt sorgt übrigens auch für das Aroma von Basilikum.

Was in der Theorie einfach klingt, sei aber – zumindest bei Tomaten – ist in der Praxis noch nicht ganz so einfach. Deshalb forscht Schubert im Rahmen des DLR-Projekts "Eden" zunächst ebenfalls am einfacheren, schnell zu produzierenden Salat. Sein Ziel: Eine kleine Anlage, die Astronauten mit frischem Grün versorgen kann – oder, wie es in dem Zusammenhang psychologisch heißt, "incentive food" (auf Deutsch etwa: motivierendes Essen). Gemeint ist, dass die Pflege und der Verzehr von allem, was frisch, grün oder rot ist, die Laune von Menschen bedeutend hebt, die nicht mal eben ins Grüne hinaus können.

Die erste Salatgeneration aus dem Lichtlabor haben Schubert und sein Team schon geerntet. Geschmeckt hat es ihnen auch. Vor Kurzem hat ihnen die Europäische Union 4,5 Millionen Euro bewilligt, um die Technik in einem 40-Fuß-Container in der deutschen Neumayer-Forschungsstation in der Antarktis zu testen. Läuft alles gut, könnten Tests auf der Internationalen Weltraumstation ISS folgen, entsprechende Pläne gibt es bereits. "Die Technik ist allerdings eher für den Einsatz auf Planeten oder Monden gedacht. Es geht zwar auch ohne Gravitation, aber die Wasserversorgung klappt besser, wenn sich Tropfen bilden können, die auch nach unten fallen."

Caleb Harper vom 2013 gegründeten CityFarm-Projekt am MIT Media Lab hat ebenfalls große Pläne, will damit aber auf der Erde bleiben. Um der beständig wachsenden Stadtbevölkerung lokal Highend-Farming zu ermöglichen, hat er eine containergroße Wachstumskammer entwickelt, bei der alle Komponenten auf Open Source basieren – vom Bauplan über die Sensoren und Bewässerungsanlagen bis hin zur Steuerungssoftware. Das gilt natürlich auch für die Klimarezepte inklusive der geschmacksverbessernden Lichtmixe.

"Ähnlich wie FabLabs die Maker-Bewegung getragen haben, möchte ich ein weltweites Open-Source-Kollektiv für Pflanzenanbau aufbauen", sagt Harper. Erste Kollaborationen sind geknüpft, von den USA bis nach Ghana und Mexiko. Die Mitglieder sollen Daten und Rezepte teilen, um die Anlagen weiterzuentwickeln. Harper stört sich daran, dass Unternehmen ihre Anbautechnik unter Verschluss halten. "Das mag für sie smart sein, funktioniert aber nicht für eine Lösung, die so weit hochskaliert werden soll, dass sie die Welt verändern kann."

Breitet sich Harpers Wachstumskammer ähnlich aus wie die FabLabs, dürfte das der Beginn einer spannenden Entwicklung sein. Zwar ist die Vision vom Urban Farming nicht neu. Wird nun aber der grüne Daumen herunterladbar, tun sich ganz neue Möglichkeiten auf. Dann könnten wir eines Tages nicht nur mit streubaren Gewürzen, sondern auch selbst mit verschiedenen Lichtmixen experimentieren.