Um die Potenziale von Aquaponik-Systemen rund um ihre Forschung sichtbarer zu machen, entwickelten die Arbeitsgruppe „Bioprozesstechnik“ der Technischen Hochschule (TH) Wildau und der Innovation Hub 13 in enger Zusammenarbeit in mehreren Schritten zwei Modelle für Präsentationszwecke. Das Ergebnis der interdisziplinären Zusammenarbeit kann sich sehen lassen – und bietet sogar die Chance, die regionale Nahrungsmittelproduktion zu revolutionieren.

Das Konzept der Aquaponik ist nicht neu: Hierbei werden Fischproduktion und Pflanzenkultur in einem bestenfalls geschlossenen Kreislauf kombiniert. Das funktioniert, indem die Ausscheidungen der Fische aus dem Wasser als Dünger für die Pflanzen genutzt werden. So können z. B. Gemüsepflanzen die Nährstoffe verwerten und zugleich das Wasser für die Fische reinigen. Fische und Pflanzen bilden so ein Ökosystem zur nachhaltigen Lebensmittelproduktion, denn im Vergleich zu herkömmlichen Aquakulturen reduzieren Aquaponik-Systeme den Wasserverbrauch enorm.

Dabei gibt es jedoch einen Haken: Wetter, Futterzusammensetzung, Wasserbeschaffenheit und die individuellen Bedürfnisse von Pflanze und Fisch wirken zusammen und müssen kontinuierlich aufeinander abgestimmt werden, damit der Kreislauf zuverlässig funktioniert. Bisherige Steuerungssysteme sind daher ausgesprochen komplex und sowohl in der Anschaffung als auch im Unterhalt kostenintensiv.

Hier kommt die Forschung der Arbeitsgruppe „Bioprozesstechnik“ um Prof. Franz-Xaver Wildenauer an der TH Wildau ins Spiel. Die Forschenden erproben derzeit den Einsatz eines Raspberry Pi zur Überwachung und Steuerung von Aquaponik-Anlagen. Diese sogenannten Einplatinencomputer besitzen alle elektronischen Komponenten zur Verarbeitung von Sensordaten auf einer kleinen kompakten Leiterplatte. Die Geräte sind somit nicht nur deutlich kleiner und platzsparender als bisher verwendete Mess- und Steuerungssysteme, sie sind vor allem sehr viel günstiger.

Von der Idee zum fertigen Demonstrator

Neben einer großen, stationären Anlage mit einem Fassungsvermögen von 1.000 Litern und 60 bis 70 lebenden Fischen im Technikum von Prof. Wildenauer sollten noch zwei weitere Miniaturausgaben der realen Aquaponik-Anlage entstehen: Zum einen ein Laboraufbau mit ca. 160 Litern Fassungsvermögen und zum anderen ein kompakter und mobiler Aufbau à 20 Liter. Insbesondere letzterer sollte das Ziel haben, den Zugang zum Thema für Außenstehende möglichst niedrigschwellig zu gestalten, ganz nach dem Motto: „Das müssen auch Schüler:innen einer zehnten Klasse verstehen“. Denn die Demonstratoren sollen nicht nur dazu dienen, das Forschungsthema innerhalb der Hochschule voranzutreiben, sondern auch die gesellschaftliche Relevanz der Aquaponik-Systeme durch das Aufzeigen von ressourcenschonenden Möglichkeiten der Nahrungsmittelproduktion sichtbar machen. Dadurch tragen sie zum Wissenstransfer bei, mit dem langfristigen Ziel der Stärkung der regionalen Wirtschaft und Entwicklung.

Um diese Ziele zu erreichen, sollte der 20-Liter-Demonstrator an verschiedenen Orten ausgestellt werden, darunter neben einer Reihe von Veranstaltungen auch die ScienceBox (DE) am Campus der TH Wildau, die Science Gallery (DE) der BTU Cottbus-Senftenberg und der Showroom der Regional bureau Luckenwalde. Aber auch der größere 160-Liter-Demonstrator ging auf die Reise: Beispielsweise wurde er bei der Brandenburgischen Landwirtschaftsausstellung 2019 in Paaren ausgestellt. Mit beiden mobilen Demonstratoren konnte so in den Ausstellungen und während der Veranstaltungen viel Aufmerksamkeit für das Thema generiert werden.

Interdisziplinär und skalierbar

Neben der Arbeitsgruppe „Bioprozesstechnik“ an der TH Wildau war auch der Innovation Hub 13 beteiligt. Er unterstützte mit dem Know-how eines Transferscouts, bei der Gestaltung einer optisch ansprechenden Holzverkleidung des 160-Liter-Demonstrators sowie bei der Entwicklung von begleitenden Kommunikationsprodukten durch Mitarbeitende der Wissenschaftskommunikation. Unter den Ergebnissen ein Podcast, ein Poster sowie aufbereitete Hintergrundinformationen für die Ausstellung der Aquaponik-Demonstratoren. Außerdem unterstützte der Innovation Hub 13 die erste Iteration des Modells durch finanzielle Mittel zur Materialbeschaffung. Nicht zuletzt entscheidend an der Umsetzung: Der Laboringenieur Frank Stein, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe „Bioprozesstechnik“, der die Modelle entworfen und gebaut hat.

Ein weiterer Aspekt des Aquaponik-Systems: Wie schon die 160-Liter-Version im laufenden Betrieb bei Veranstaltungen zeigte, ist das System frei skalierbar. Vom Container auf der eigenen Fensterbank bis hin zu großen Farmen ist dank der kostengünstigen Technik nun alles denkbar.

Auch bei der Umsetzung ist noch vieles möglich: Nicht nur die Züchtung von Fischen, auch die Züchtung von Garnelen, Insekten oder Mikroalgen standen bei bisherigen Gesprächen arbeitsgruppen- und hochschulübergreifend im Raum. Denkbar wäre auch eine modulare Erweiterung der Messtechnik, etwa durch eingearbeitete Glasfasern, die Veränderungen messen können, oder eine spezielle Nitrat-Sensorik. Sind die verschiedenen Arbeitsgruppen erst einmal im Gespräch, stelle man oft fest, dass es immer wieder Überschneidungen gebe, zu denen man sich austauschen könne, so der Transferscout.

Impact und Wirkung

Um der Frage nachzugehen, wie sich die Wirkung des Projektes messen lässt, lassen sich folgende messbare Indikatoren heranziehen: 

• Anzahl der Anfragen zum Ausstellen der Demonstratoren, z. B. bei der Eröffnung der Präsenzstellen Luckenwalde und Westlausitz|Finsterwalde oder zum Hochschulinformationstag der TH Wildau sowie Vorstellung bei der Brandenburgischen Landschaftsmesse 2019 mit drei Forschungsgruppen

   

• Besuchszahlen der Ausstellungen und Veranstaltungen sowie Gespräche mit und Feedback von Besucher:innen

   

• Anzahl der Klicks und Abrufe des Podcasts sowie der Informationen auf der Wissenstransfer-Seite

   

• Kontakte zu möglichen Industriepartner:innen und mögliche zukünftig realisierte Projekte

   

• Andere Forschungsgruppen, die auf das Thema aufmerksam wurden, z. B. Übertragung des Themas auf ein anderes Aquaponik-System mit Garnelen (Arbeitsgruppe „Molekulare Biotechnologie und Funktionelle Genomik“ von Prof. Marcus Frohme) sowie Interesse bei der Arbeitsgruppe „Photonik, Laser- und Plasmatechnologien“ bezüglich allgemeiner optischer Sensorik (Prof. Sigurd Schrader) und konkreter Nitrat-Sensorik (Birgit Dietzel).

• Das Thema Aquaponik ist über den Campus hinaus sichtbar geworden: Präsenzstellen, Showrooms und Veranstaltungen haben Sichtbarkeit geschaffen und die Reichweite erhöht.

   

• Die Interdisziplinarität in der Hochschule wurde vorangetrieben.

   

• Durch die Aufbereitung wurde die Thematik auch in die Vorlesung von Prof. Wildenauer eingearbeitet.

   

• Der Innovation Hub 13 wurde sichtbarer durch die Ausstellung in den Präsenzstellen und die Vorstellung der Demonstratoren auf Veranstaltungen.

   

• Die mehrstufige Entwicklung von der Mini-Aquaponik bis hin zum geplanten Showroom hatte Lerneffekte für das ganze Team.

   

• Das Potenzial von integrierten Systemen zur Produktion von Nahrungsmitteln wurde aufgezeigt.

   

• Das Projekt gab außerdem Anstoß zu einer Masterarbeit in der Arbeitsgruppe „Bioprozesstechnik“ am 160-Liter-Demonstrator („Verbesserung der bakteriellen und chemischen Eigenschaften einer Aquaponik-Anlage durch Integration einer Flachmembran“, Tommy Skwierawski, 2019) sowie forschungsgruppenübergreifend zu einer Bachelorarbeit in der Arbeitsgruppe „Molekulare Biotechnologie und Funktionelle Genomik“ („Konzeption von Demonstratoren für einen Life Science Showroom“, Antonia Schulz, 2019) inklusive Vortrag bei der InnoX 2019 Futures Conference.

In Zukunft sollen die Ergebnisse der Arbeitsgruppe an der TH Wildau dazu beitragen, einen kostengünstigen Betrieb von Aquaponik-Anlagen sowie innovative neue Geschäftsmodelle für die nachhaltige Lebensmittelproduktion in der Region zu ermöglichen. Bisher wurden zwar interessierte Industriepartner:innen gefunden, ein gemeinsames drittmittelgefördertes FuE-Projekt konnte bisher jedoch nicht realisiert werden. Doch die entwickelten Aquaponik-Demonstratoren helfen schon jetzt dabei, die Gesellschaft für die Thematik zu sensibilisieren, den Austausch innerhalb der Hochschule voranzutreiben, den Wissenstransfer zu fördern und so langfristig die Wirtschaft und Entwicklung in unserer Region zu stärken.