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 IBG-3 Getreide & Co. in mögliche Klimaszenarien der Zukunft. Und die Zeit drängt.
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.
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.“
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 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 FZJ 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.“
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.
AgraSim: So funktionierts!
Mit dem Großexperiment AgraSim können Prof. Nicolas Brüggemann (IBG-3) und sein Team ab 2024 in der Praxis erforschen, wie sich Nutzpflanzen im künftigen Klimawandel schlagen werden. Doch wie wird diese „Zeitreise“ in der Halle auf dem Campus Jülich gelingen? Erkunden Sie AgraSim schon jetzt auf dieser virtuellen Tour durch die Anlage.