Hoe kunnen we op onze planeet straks negen of zelfs tien miljard mensen voeden?

Het is een existentiële vraag, en een belangrijk deel van het antwoord is: ‘smart farming’, extreem efficiënte voedselproductie dankzij gericht gebruik van de laatste technologie en zoveel mogelijk geautomatiseerd. Zaadjes worden nauwkeurig individueel geplant, fruit wordt geoogst door mechanische grijpers, kunstmest en gewasbeschermers worden gericht toegediend in zo klein mogelijke doses. Al deze handelingen vragen om veel kleine elektromotoren, die krachtig en stevig tegelijk zijn.

De afgelopen honderd jaar bracht revolutionaire ontwikkelingen in de landbouw met zich mee, waardoor oogsten enorm toenamen. Gewasvarianten die meer opbrengen, kunstmest, chemische pesticiden, mechanisatie en grootschalige kunstmatige irrigatie maakten deze groei mogelijk. Maar al deze ingrepen in de natuur hadden ook ongewenste bijwerkingen.

Alle betrouwbare voorspellingen van de wereldwijde bevolkingsgroei voorzien dat de mensheid tegen het einde van deze eeuw negen tot tien miljard zielen zal tellen. Onze planeet is in staat om deze enorme hoeveelheid mensen van voldoende eten te voorzien, maar dat stelt de landbouw wel voor gigantische uitdagingen. De opbrengsten van landbouw en veehouderij moeten omhoog, zonder dat dit de natuurlijke bronnen uitput.

Focus op individuele plant, niet hele akker

Tot nu toe waren veel belangrijke processen in de landbouw gebaseerd op het grondoppervlak. Denk maar aan het planten, bemesten of beschermen van gewassen: de hoeveelheid zaad of pesticide wordt berekend aan de hand van het aantal hectares; de machine verdeelt het materiaal met een bijpassende snelheid. Maar een deel van de stikstofmest komt dan bijvoorbeeld niet bij de plant terecht, maar in het grondwater, waar het voor problemen kan zorgen.

Voor werkzaamheden als het snoeien van fruitbomen of het plukken van kwetsbare groenten en fruit is dure personeelsinzet vereist, terwijl steeds meer bedrijven juist mensen te weinig hebben. Smart farming gebruikt intelligente technologieën om de landbouw efficiënter te maken, middelen zo spaarzaam mogelijk te gebruiken, mensen te bevrijden van geestdodend zwaar werk én oogsten te verbeteren. Vaak gaat het hierbij ook over precisielandbouw, digitale landbouw of e-farming. Met ondersteuning van computers en aangesloten processen, machine learning en robotfuncties op maat kunnen boeren zich richten op individuele planten, in plaats van op hele akkers.

Bij de afbeelding: Gericht gebruik van meststoffen en herbiciden bij smart farming vermindert bodemverontreiniging.

Als maatregelen nauwkeurig op de plant gericht zijn, kunnen ze veel zuiniger worden ingezet. Hierdoor hebben boeren bijvoorbeeld veel minder herbiciden nodig om hun gewassen effectief te beschermen. Robots die steeds weer langskomen, kunnen groenten en fruit oogsten op precies het juiste moment, als ze perfect rijp zijn.

Lichtgewicht, autonome robots in het veld kunnen ook de grond beschermen. Moderne landbouwmachines kunnen wel tien ton wegen. Dat gewicht zorgt met iedere bewerking voor aanzienlijke grondverdichting. De grondlagen kunnen hierna veel minder water en lucht absorberen, wat het bodemleven schaadt. En dat is te merken aan de achterblijvende groei en gezondheid van de planten in de buurt van rijsporen. Smart farming kan bijdragen aan een betere bodemgesteldheid en meer biodiversiteit.

Automatisering in land- en tuinbouw

Momenteel bestaan veel toepassingen alleen nog op papier, of als prototype. Maar smart farming verovert gestaag terrein. Gewassen planten met precisie wordt bijvoorbeeld al toegepast. Deze techniek is oorspronkelijk ontwikkeld voor onderzoek en zaadontwikkeling. Machines planten de zaadjes met nauwkeurig vastgelegde afstanden ertussen. Iedere plant krijgt precies de juiste hoeveelheid ruimte om te groeien en het beschikbare oppervlak wordt optimaal benut. Tegelijkertijd wordt het waardevolle zaaigoed extreem efficiënt gebruikt.

Moderne zaaimachines gebruiken per zaairij een elektrisch aangedreven verdelingsmodule. Een motor drijft een schijf met uitsparingen aan, die de individuele zaadjes naar de uitworp transporteert. Met een intelligente controller kan de optimale afstand voor ieder soort zaad worden ingesteld. In bochten kan de apparatuur compenseren voor de verschillende stralen van de individuele rijen. Ook de aanvoer van de zaadjes naar de verdeelschijf wordt aangestuurd met gemotoriseerde sluitingen. 

Bij het telen van groenten en bloemen in kassen, worden veel planten eerst opgekweekt in kleine potjes en later omgeplant in grotere potten of kweekbedden. Moderne tuinbouwbedrijven gebruiken machines om de planten en potten te sorteren en hanteren. De machines lijken op de toepassingen uit de industriële productie en de logistiek: er zijn transportbanden en rolbanden waarop trays met producten in verschillende groeistadia worden getransporteerd, gesorteerd en verpot. Ook bij de grijpers zijn de overeenkomsten groter dan de verschillen, alleen de 'vingers' zijn anders gevormd. Ze worden aangedreven door micromotoren en hanteren de individuele potten en wortelkluiten volledig automatisch.

Zelfrijdende oogstmachines voor fruit en groenten worden nog niet in serie geproduceerd voor de algehele markt, maar het is al duidelijk waar de ontwikkeling naartoe gaat: sensoren met camera's detecteren hoe rijp bijvoorbeeld de aardbijen zijn aan de hand van de kleur en de vorm, en registreren de exacte positie. De computer gebruikt deze gegevens om een robotarm aan te sturen, die is uitgerust met een oogstschaar en een opvangsysteem. De prototypes voor deze robots zitten vol elektromotoren, voor de wielaandrijving, de robotarm, het snijmechanisme, en het opvangsysteem voor het geoogste fruit.

Elektrische systemen en elektronica

Kevin Moser is als Business Development Manager bij FAULHABER verantwoordelijk voor toepassingen in de land- en tuinbouw. Hij legt uit: "In standaard landbouwapparatuur zijn mechanische versnellingen en pneumatische aandrijvingen heel gebruikelijk. "Voor kleinschaligere systemen in smart farming is dat soort technologie vaak te groot, te zwaar en te complex en het verbruikt teveel energie. Daarom zien we steeds vaker dat elektromotoren het vermogen leveren voor specifieke processtappen. Maar vaak moeten de aandrijvingen in deze sector aan hele hoge eisen voldoen."

Bij de afbeelding: Moderne machines sorteren en verwerken gewassen

In tegenstelling tot de traditionele grote apparatuur, zijn de machines en componenten in smart farming vaak compacter en lichter. Dat betekent dat er meestal niet veel ruimte is voor de motoren. Toch moeten ze voldoende kracht leveren om hun taak talloze cycli betrouwbaar uit te voeren, als aandrijvingen van zaaischijven, kleppen, grijpers, robotarmen of oogstscharen. Tegelijkertijd moeten ze bijzonder efficiënt werken: de autonome apparaten werken meestal op batterijen met beperkte energievoorraden. Ook moet de aandrijfelektronica kunnen worden geïntegreerd in netwerkstructuren, zodat intelligente aansturing mogelijk wordt.

Moser: "Dit zijn typische vereisten voor aandrijfsystemen in de topklasse. Daarnaast moeten de aandrijvingen in deze sector ook stevig zijn, zodat ze ook op de lange termijn betrouwbaar werken onder zware omstandigheden. Zowel in de landbouw als in de tuinbouw zijn grote temperatuurschommelingen en zware mechanische belastingen eerder regel dan uitzondering. En ondanks dat moeten de kosten redelijk blijven. FAULHABER heeft diverse productseries die aan al deze punten voldoen."

Bij de afbeelding: Aandrijvingen voor landbouwtoepassingen moeten betrouwbaar werken. 

Moser heeft het over de onderhoudsvrije, borstelloze en compacte, platte DC-micromotoren uit de BXT-serie en over de extreem stevige, kostenefficiënte koper-grafietmotoren uit de CXR-serie. De tandwielkasten uit de GPT-serie zijn bijzonder geschikt om zware lasten over te brengen onder zware omstandigheden. Ze zijn extreem efficiënt en extreem stevig tegelijk; ideaal voor landbouwtoepassingen.

Met optionele incrementele encoders wordt bijzonder nauwkeurige positionering mogelijk. Ook zijn er verschillende controllers beschikbaar om de aandrijfsystemen aan te sluiten op een netwerk, bijvoorbeeld via de CANopen-interface. "Aandrijvingen van FAULHABER worden al ingezet voor smart farming", weet Moser. "En ze zullen een belangrijke rol blijven spelen voor veeleisende toepassingen op dit gebied."