Die Pflanzen-Zeitmaschine

Klimawandel trifft Bodenforschung

Der Klimawandel droht, die Welt auf den Kopf zu stellen. In Gefahr sind auch Nutzpflanzen, die uns ernähren. Mit dem Großexperiment AgraSim schickt Prof. Nicolas Brüggemann am Jülicher Institut für Bio- und Geowissenschaften Getreide & Co. in mögliche Klimaszenarien der Zukunft. Und die Zeit drängt.

Wie eine Zeitreise: Mit AgraSim kann Prof. Nicolas Brüggemann (IBG-3) in der Praxis erforschen, wie sich Nutzpflanzen im künftigen Klimawandel schlagen werden. Los geht es 2024.

Heißere Sommer und mildere Winter, längere Dürren und mehr Starkregen: Die Folgen des Klimawandels für die Menschheit sind vielfältig. „Auch die Welt der Pflanzen ist betroffen – mit großen Folgen für uns“, sagt Prof. Nicolas Brüggemann vom Institut für Bio- und Geowissenschaften: Agrosphäre (IBG-3). Ein Beispiel sind Nutzpflanzen wie Weizen, Mais, Gerste oder Kartoffel, die wichtig für die Ernährung der Menschen weltweit sind. „Wir müssen dringend herausfinden, was davon überhaupt noch nachhaltig auf unseren Feldern wachsen kann, wenn es in Deutschland immer wärmer und trockener wird“, sagt der Biogeochemiker. „Denn auch wenn der Klimawandel für viele noch immer nach ferner Zukunft klingt, müssen wir jetzt damit anfangen, uns auf die nahenden Herausforderungen bestmöglich vorzubereiten.“

Helfen soll AgraSim. Das Jülicher Großexperiment wird derzeit in einer Halle des IBG-3 auf dem Campus aufgebaut – auf einer Fläche von 18 mal 11 Metern über drei Etagen. AgraSim ist eine Art Zeitmaschine für Pflanzen und Böden: „Damit können wir verschiedene Klimaszenarien vorwegnehmen – und so jetzt schon in der Praxis testen, wie Weizen, Mais oder Raps auf veränderte Klimabedingungen reagieren werden“, erklärt Brüggemann. Ob Sonnenstrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit oder CO₂-Gehalt von Luft und Boden: Mit sechs Agrarsimulationskammern können die Forschenden viele Klimafaktoren exakt nachstellen. Das Herzstück der Anlage: die gläsernen, hochtechnisierten Pflanzenkammern. Direkt darunter: große Zylinder namens Lysimeter, in denen Wurzeln und die Mikrobiologie im Erdreich untersucht werden. „Der Boden ist hier ebenso wichtig, wird aber leider in vielen Pflanzenexperimenten immer noch vernachlässigt“, so der Wissenschaftler.

Tor in die Zukunft: Normen Hermes und Prof. Nicolas Brüggemann vom IBG-3 sowie Joschka Neumann vom ZEA-1 (v. l.) vor ihrer hochmodernen Pflanzenkammer. Die Spezialbeleuchtung hilft bei der Simulation unterschiedlicher Klimaszenarien.

Weltweit einmalig

Mit AgraSim wollen Brüggemann und sein Team herausfinden, was mit Kohlenstoff, Stickstoff, anderen Nährstoffen und Wasser in der Zukunft passieren wird – samt den Folgen für Klima und Pflanzen: Sorgen höhere Temperaturen zum Beispiel dafür, dass mehr Kohlenstoff aus dem Boden in die Atmosphäre freigesetzt wird und dass Pflanzenwurzeln Wasser an anderer Stelle im Boden aufnehmen als bislang? Und was passiert mit dem Stickstoff im Dünger? Künftig kann das IBG-3 sogar verschiedene Böden in unterschiedlichen Klimaszenarien miteinander vergleichen. Und in einer Sache ist AgraSim weltweit einmalig: „Nur wir können den Gasaustausch isotopenspezifisch bestimmen und so die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Boden und Atmosphäre genau messen“, betont Brüggemann. „Dadurch können wir etwa verfolgen, wie schnell ‚alter‘ Kohlenstoff in den Böden abgebaut und durch neuen ersetzt wird – und ob sich da mengenmäßig ein Gleichgewicht einstellt.“ Prozesse, deren Verständnis wichtig ist, um weltweit Klimamodelle zu verbessern, sagt der 51-Jährige. „Wir haben spannende Ideen für die nächsten 30 Jahre, aber nur diese sechs Kammern. Deshalb wollen wir die Anlage sinnvoll auslasten und lassen uns bei den Fragestellungen auch von Wissenschaft und Industrie beraten.“

Voller Durchblick: Techniker Normen Hermes (IBG-3) wird die Anlage bedienen. Und er weiß genau, wie man im Notfall Experimente rettet.

Erfolg made in Jülich

Die Pflanzenkammer von AgraSim ist eine komplette Jülicher Eigenentwicklung. „Wir haben sie im Wechselspiel mit Nicolas Brüggemanns Team entworfen und optimiert“, erklärt Maschinenbauingenieur Joschka Neumann, Projektleiter vom Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-1). Allein die Planung für das Großprojekt dauerte fast zwei Jahre. Da es nichts Vergleichbares gab, musste Neumann mit dem beteiligten Team am ZEA-1 erst einmal viel Detektivarbeit leisten. „Wir waren auf vielen Messen, haben sämtliche Literatur zu dem Thema gelesen und alle dafür wichtigen Köpfe aus dem Forschungszentrum Jülich einbezogen, um möglichst alles vorher zu lernen, was man lernen kann“, so der 37-Jährige. Doch der Weg vom ersten Entwurf Ende 2016 bis zur fertigen Anlage war weit. Der Schlüssel zum Erfolg: Teamwork! Während der eine Konstrukteur die Pflanzenkammern zeichnete, übernahm der andere die Prozesstechnik, ein Elektrotechniker konzipierte die Stromlaufpläne. Ein Automatisierungsingenieur schrieb die Software und ein Simulationsingenieur kümmerte sich um aufwendige Berechnungen: „In unseren Simulationen konnten wir uns die Ergebnisse ansehen und immer weiter verbessern“, so Neumann. Trotz der riesigen Halle war aber eines besonders rar: Platz. „Es gab so viele komplexe Komponenten und Zusammenhänge, dass es viele Monate gedauert hat, bis wir am Computer alles in 3D zusammengepuzzelt hatten.“

Gut durchdacht: Ohne Projektleiter Joschka Neumann und das Team vom ZEA-1 wäre AgraSim undenkbar gewesen.

Auf der Zielgeraden

Umso größer war die Freude, als der erste fertige Prototyp der Pflanzenkammer sämtliche Testphasen erfolgreich durchlief: „Wir haben alle mitgefiebert, als wir die Anlage Anfang 2021 erstmals hochgefahren und über Wochen hinweg in Betrieb genommen haben“, erzählt Neumann. „Am Ende gab es dank der langen und genauen Planungs- und Entwicklungsphase kaum etwas zu verbessern.“ Mit diesem Wissen werden nun die übrigen fünf Pflanzenkammern aufgebaut. Laufen soll die komplette Anlage Ende 2023. „So etwas Großartiges kann nur entstehen, wenn viele Menschen aus Forschung und Infrastruktur zusammenarbeiten“, weiß Neumann. Doch auch jetzt auf der Zielgeraden reißen die Herausforderungen nicht ab: „Allein dieses Jahr kommen rund 50.000 Einzelteile in Jülich an, die wir strukturiert lagern und in den Simulationskammern verbauen müssen.“ Ist die Arbeit getan, übergibt das ZEA-1 die Anlage ans IBG-3, und Neumann wird sich anderen großen Herausforderungen stellen.

Für den Notfall gewappnet

Am IBG-3 ist AgraSim in besten Händen: Normen Hermes bedient dort künftig die hochkomplexe Anlage und ist als Techniker für sie verantwortlich. „Bei der Entwicklung war ich von Anfang an dabei“, sagt der Elektroingenieur. „Ich weiß genau, wie die Anlage aufgebaut ist, wo welche Schraube sitzt und wie alle Komponenten zusammenhängen“, so Hermes. „Man kann etwa nicht einfach das CO₂ abschalten, ohne vorher die Druckluft zu regeln.“ Sein Wissen ist ein großer Vorteil für technische Wartungen – aber auch für Notfälle, wenn es darum geht, die aufwendigen Experimente schnellstmöglich zu retten. „Fällt doch mal eines der vielen Systeme aus, weiß ich sofort, was zu tun ist“, erklärt der 47-Jährige. Hermes ist auch der Mann, der in den nächsten Jahren die Kammern für neue Experimente umbauen wird: „Das macht mir am meisten Spaß.“ Geplant sind so unterschiedliche Versuche, dass eigentlich immer eine der Kammern modifiziert, kalibriert oder repariert werden muss. Viel zu tun also am IBG-3. 2024 soll die Forschung dann schnellstmöglich beginnen, sagt Nicolas Brüggemann. „Denn der Klimawandel wartet nicht auf uns.“

– Text Katja Lüers und Hanno Schiffer –

Weitere Informationen

Institut

Agrosphäre (IBG-3)

Nachhaltige Nutzung der natürlichen Ressourcen Boden, Wasser, und Atmosphäre

Institut

Engineering u. Technologie (ZEA-1)

Das ZEA-1 entwickelt und fertigt wissenschaftlich-technische Geräte, Systeme und Verfahren, die für die Spitzenforschung benötigt werden und auf dem Markt nicht erhältlich sind.