#3 Slimme Landbouw

Technieken waarmee je rechtstreeks informatie uit planten kunt halen. In 4TU.techtalk#3 gaan Gerard Verbiest (4TU Plantenna/ TU Delft) en Jan Westra (Priva) in gesprek over slimme landbouw.
4TU Delft
4TU Eindhoven
4TU Twente
4TU Wageningen
Tekst: Nienke Beintema | Fotografie: Dieuwertje Bravenboer

Slimme landbouw: luisteren naar wat planten nodig hebben

Land- en tuinbouw zijn lang niet altijd efficiënt. Vaak kunnen kleine aanpassingen grote verbeteringen opleveren qua opbrengst en duurzaamheid.

Maar welke aanpassingen zijn dat? Onderzoekers binnen het 4TU-programma Plantenna ontwikkelen technieken om rechtstreeks informatie uit planten te halen over wat ze nodig hebben. ‘Als je wacht tot je dat aan de buitenkant ziet, ben je eigenlijk al te laat.’

"Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten."
Gerard Verbiest

Een van de grote uitdagingen van deze eeuw is het voeden van een groeiende wereldbevolking. Van twee miljard inwoners in 1930 is die bevolking exponentieel gegroeid naar 6 miljard in 2000 en bijna 8 miljard nu – en het einde is nog niet in zicht. De modellen verschillen in hun projecties, maar alle voorzien een piek van ten minste 9 miljard mensen. Hoe voed je al die monden, als dat in veel delen van de wereld nu al problematisch is?

De aarde kán al die monden voeden, aldus experts, als we zorgen voor een efficiëntere landbouw, meer plantaardige consumptie, minder verspilling en een eerlijker verdeling. Aan dat eerste punt, een efficiëntere landbouw, werken wetenschappers over de hele wereld samen. Duurzaamheid is daarbij een sleutelwoord, want als die grotere efficiëntie ten koste gaat van natuur, milieu, mens en landschap, dan is de aanpak niet toekomstbestendig.

Wetenschappers van 4TU werken aan duurzame landbouw, samen met een aantal bedrijven. Dat doen ze binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). Dat richt zich op het verkrijgen van informatie uit planten: hoe is de plant eraan toe? Hoe reageert hij op veranderingen in de omgeving, en wat heeft hij nodig? Met die informatie kunnen kwekers de planten optimaal ‘sturen’, met minimaal gebruik van grondstoffen en energie.

Wie?

Gerard Verbiest (1986) is universitair docent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft. Hij onderzoekt de toepassing van ultrageluid (geluid dat zo hoog is dat mensen het niet kunnen horen) voor nieuwe toepassingen in de landbouw en voor beeldvorming van levende cellen en nanotechnologie. Hij is actief binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). 

Jan Westra (1961) is strategic business developer bij Priva. Dit high-techbedrijf is gespecialiseerd in hardware, software en diensten op het gebied van klimaatcontrole, energiebesparing en optimaal watergebruik in de tuinbouw. Priva werkt ook aan gebouw-automatisering. Jan legt verbindingen met innovatie-initiatieven op het gebied van allerlei technologieën, van sensoren tot ‘vertical farming’. Hij werkt daarbij samen met andere bedrijven en met instituten en onderzoeksinitiatieven, waaronder Plantenna.

‘We kunnen al heel veel meten aan de directe omgeving van de plant’, zegt Plantenna-onderzoeker Gerard Verbiest, fysicus aan de TU Delft, tijdens een gesprek in het World Horti Center in Naaldwijk. ‘Maar nu willen we informatie op een slimmere manier uit de plant halen, inzichtelijk maken en vervolgens gebruiken om de groei van de plant te sturen.’

‘We willen steeds dichter naar het gewas toe kruipen’, voegt Jan Westra van high-techbedrijf Priva eraan toe. ‘Een kwart eeuw geleden hadden we al de ‘speaking plant’ als idee. Maar nu zijn we zo ver dat we slim kunnen gaan reageren op wat die plant zegt. En dat de teelt dus veel optimaler wordt.’ 

Hoe werkt dat dan, dat ‘praten’ van planten?
Gerard: ‘Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten. Die kracht trekt het water uit grond omhoog, tot in alle delen van de plant. Maar als er te weinig water in de grond zit, en de verdamping gaat wel gewoon door, dan wordt die kracht op die waterkolommetjes zo groot dat ze breken. Daarbij ontstaan piepkleine luchtbelletjes in de vaten. Dat veroorzaakt trillingen, die je kunt waarnemen als ultrageluid: geluid dat zo hoog is dat wij het niet kunnen waarnemen. Dat was al bekend sinds de jaren ’90, maar er had nog nooit iemand met een ingenieursachtergrond naar gekeken.’

Wat onderzoeken jullie precies?
Gerard: ‘Wij kijken naar de individuele pulsen. Waar komen die frequenties vandaan? Die blijken samen te hangen met onder meer de diameter van de vaten, de lengte, de elasticiteit en de hoeveelheid water in de plant. Het blijkt dat iedere stressfactor – uitdroging, maar ook bijvoorbeeld bepaalde plantenziekten – zich vertaalt in een specifiek patroon in die frequenties. Een soort vingerafdruk die laat zien hoe de plant eraan toe is, en waardoor dat komt. Zo weet je al dat een plant stress heeft, of ziek is, voordat je het aan de buitenkant kunt zien.’

Jan: ‘En dat is heel belangrijk, want zodra je het ziet ben je eigenlijk al te laat. Dan is de productie niet optimaal. Dankzij dit soort onderzoek weten we nu ook dat je planten helemaal niet constant water moet geven. Niet alleen de hoeveelheid, maar ook de timing is van belang. Planten willen liever met droge wortels de nacht in gaan. Als je de watertoevoer slimmer instelt, kun je 30 procent water besparen en 20 procent meer produceren, weten we uit projecten in Californië.’

Wat is hierin de rol van Plantenna?
Gerard: ‘Binnen Plantenna ontwikkelen we sensoren om die parameters heel nauwkeurig te meten. Ik richt mij op ultrageluid; anderen brengen met MRI-technieken de suikerconcentratie in beeld. Weer anderen kijken met radiofrequenties naar de gezondheid van fruit. Binnen het project FruitFrost ontwikkelen we een systeem om de temperatuur van fruit boven nul te houden door middel van slimme sensoren en windturbines die warme lucht door een boomgaard kunnen verspreiden. En er zijn elektrotechnici die zich richten op het ontwikkelen van goedkopere sensoren, zodat deze technieken ook voor mensen in armere landen toegankelijk worden.’

"Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo."
Jan Westra

Waarom zijn deze ontwikkelingen zo belangrijk?
Jan: ‘Er is een groot spanningsveld: over de hele wereld moeten boeren steeds efficiënter en goedkoper produceren om het hoofd boven water te houden. Tegelijkertijd is duidelijk dat we beter voor de aarde moeten zorgen. De regelgeving verandert, maar ook wat consumenten willen. Het gebruik van water, energie en pesticiden moet omlaag. Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo. Die expertise kunnen wij exporteren naar Mexico. Daar kan een boer zó zijn opbrengst verdubbelen, met minder input.’

Gerard: ‘Dat soort ontwikkelingen zien we gelukkig al heel veel. Maar er komt veel meer bij kijken dan alleen techniek. Je hebt ook de juiste mensen nodig. Mensen die weten hoe je een kas goed laat lopen. Daar loopt het tegenwoordig vaak op spaak.’

Jan: ‘Het is moeilijk jonge mensen voor deze opleidingen te interesseren. De tuinbouw heeft nog altijd – ten onrechte – het imago van zwaar, vies werk in de kassen. Maar dat is allang niet meer de realiteit. Allerlei innovaties hebben hun intrede gedaan, waardoor het werk al behoorlijk high-tech is. Maar daar doet een andere uitdaging zich voor: mensen moeten daar natuurlijk wel mee leren omgaan. We kunnen sneller kassen bijbouwen dan mensen opleiden. Ook de automatisering is een uitdaging: ook daar heb je goede mensen voor nodig.’ 

4TU.Plantenna
Plantenna is een samenwerkingsprogramma tussen de vier technische universiteiten op het gebied van duurzame land- en tuinbouw. Binnen Plantenna werken wetenschappers uit allerlei disciplines samen aan innovatieve sensoren die de fysiologische toestand van planten kunnen meten, bijvoorbeeld hun watergehalte en de gezondheid van hun bladeren. Plantenna-onderzoekers rusten planten uit met deze nieuwste generatie sensoren en verbinden ze met elkaar tot een ‘Internet of Plants’. Het resultaat is een landbouwsysteem dat efficiënter – en daarmee ook duurzamer – te reguleren is en een hogere opbrengst geeft.

Kan Plantenna daarin een rol spelen?
Gerard: ‘Een kerntaak van 4TU is nog steeds het opleiden van nieuwe mensen voor de belangrijke ontwikkelingen in de maatschappij. Binnen Plantenna zien we al mooie voorbeelden van masterstudenten die geïnteresseerd raken om verder te gaan in deze richting.’

Jan: ‘Ook wij proberen zo veel mogelijk stagiaires en afstudeerders binnen te krijgen. Een mooie locatie zoals dit World Horti Center kan daar ook aan bijdragen. Hier is een permanente tentoonstelling over de nieuwste technische ontwikkelingen, waar we 25.000 bezoekers per jaar ontvangen, vanuit de hele wereld. En in hetzelfde gebouw zit een tuinbouwopleiding. Het is belangrijk dat we aan de jonge generatie laten zien dat tuinbouw ook spannend en high-tech kan zijn.’ 

Maar is high-tech wel de oplossing voor bijvoorbeeld ontwikkelingslanden?
Jan: ‘Op den duur zeker. Kijk, je moet je realiseren dat veel zaken nog in de ontwikkelingsfase zitten. Binnen Plantenna, maar ook daarbuiten, doen mensen fundamenteel onderzoek naar de werking van planten en ontwikkelen ze technieken om daaraan te meten en de kweek te optimaliseren. Dat kan nu eenmaal het beste in kassen.’

Gerard: ‘Maar met de kennis die dat oplevert, kan het bedrijfsleven producten en technieken gaan ontwikkelen die veel breder toepasbaar zijn. Ook in Zuid-Amerika, Afrika en Azië.’

Jan: ‘De wereld gaat wel mee. Die technieken komen daar echt wel terecht.’

Gerard: ‘Het idee van Plantenna is dat we goedkope sensoren ontwikkelen, met robuuste elektronica. En we werken aan draadloze communicatie, waarmee de boer de informatie over de toestand van zijn gewassen binnenkrijgt op zijn mobiele telefoon. De volgende stap is dan: wat kan de boer met die informatie? We werken nu ook aan manieren om al die data om te zetten naar praktische adviezen voor de eindgebruiker.’ 

Is het realistisch dat een boer in Afrika straks op die manier te werk gaat?
Gerard: ‘Ik denk het wel. Het moet kunnen.’

Jan: ‘Je ziet nu al de eerste voorbeelden van high-tech data die boeren helpt, ook in ontwikkelingslanden. En dat hoeft niet per se met sensoren te zijn. Boeren krijgen nu al adviezen op basis van de analyse van satellietbeelden, bijvoorbeeld. In Europa is die ontwikkeling razendsnel gegaan. Als je dat 50 jaar geleden had voorspeld… Dus ik zie geen enkele reden waarom dat niet ook hiervoor zou gelden.’

Dus over 50 jaar werken boeren wereldwijd met dit soort technieken?
Jan, lachend: ‘In ons veld is 5 of 10 jaar al een heel verre horizon. Zo snel gaan de ontwikkelingen. Dus ik vind dat heel moeilijk te zeggen. En er zijn op veel plekken ook bottlenecks die niets met technologie te maken hebben, maar meer met lokaal bestuur, of met politiek. En in Rusland konden we niet werken met bepaalde radiofrequenties, omdat die al bezet waren door defensie. Dat soort dingen. Maar voor de rest is het gewoon een kwestie van veel geld erin pompen.’

Gerard: ‘Ik denk absoluut dat we technieken uit Plantenna al over 10 jaar in de praktijk kunnen zien.’

Jan: ‘Zeker in de glastuinbouw gaan de ontwikkelingen razendsnel. Nederland loopt daarin voorop, hoor. Mensen uit de hele wereld komen hiernaartoe om te kijken hoe wij dat doen. Maar we moeten wel scherp blijven, ons blijven ontwikkelen. Voor je het weet ben je de Kodak of de Nokia van de tuinbouw.’

Gerard: ‘En we moeten ons dus niet alleen op de techniek richten. De lokale aansturing van bijvoorbeeld kassen is ook een bottleneck. Je kunt wel tienduizenden dollars investeren in mooie sensoren, maar past het wel in je systeem?’ 

"Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld."
Jan Westra

Dat klinkt erg gecompliceerd… hoe  ga je dan te werk als je nieuwe technieken wilt uitrollen, bijvoorbeeld in Afrika?
Jan: ‘Je moet klein beginnen, stapsgewijs werken. Je begint met simpele sensoren in de bodem, afhankelijk van waar je bent. Iedere streek heeft zijn eigen uitdagingen: temperatuur, vocht, nutriënten, plantenziekten… Dus ja, we moeten inzetten op training. Lokale mensen opleiden die weer anderen kunnen opleiden. Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld. Priva heeft bijvoorbeeld een trainingscentrum opgezet in Guatemala. Daar tonen we ‘the latest and the greatest’, maar ook alle stappen die erbij komen kijken. We zijn nu bezig nog vijf trainingscentra op te zetten. Soms begint die training er overigens mee dat mensen leren lezen en schrijven.’

Waarin zit dan voor jullie het verdienmodel?
Jan: ‘Het begint vanuit een maatschappelijke betrokkenheid. Ja, we willen écht iets doen wat de wereld verbetert. We doen veel projecten die ons financieel helemaal niks opleveren. Maar het is natuurlijk niet alleen liefdadigheid. Uiteindelijk zie je dat als mensen zich ontwikkelen, hun landbouw op een hoger niveau komt. En ja, dan gaan ze onze spullen kopen.’

"De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen."
Gerard Verbiest

Gerard: ‘Bij Plantenna richt die maatschappelijk drive zich vooral op Nederland. Er is veel druk vanuit de overheid, en ook vanuit consumenten, om de landbouw te verduurzamen. Dat zie je bijvoorbeeld aan de stikstofdiscussie. 4TU ziet daarin ook een duidelijke rol voor zichzelf. De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen. In Delft weten we veel van fysica, maar voor kennis over plantenfysiologie moeten we in Wageningen zijn en voor de nieuwste draadloze communicatie en elektronica in Eindhoven of Twente.’ 

Wat is de volgende stap binnen Plantenna?
Gerard: ‘Ten eerste werken we steeds meer van laboratorium naar kas. Daarnaast verschuift onze focus richting sensoren die met elkaar zijn verbonden via een draadloos netwerk. We onderzoeken of je radiogolven kunt gebruiken om de sensordata te versturen. Om radiogolven efficiënt te versturen, heb je een antenne nodig. In een deelproject kijken we nu of we de plant zélf als antenne kunnen gebruiken. Vandaar ook de naam van het programma. Het ziet er veelbelovend uit. Of het praktisch direct nuttig is, durf ik nog niet te zeggen, maar het is in elk geval erg leuk.’

Jan: ‘Vaak komen toepassingen pas later om de hoek kijken. Wetenschappelijk onderzoek heeft niet altijd direct nut, maar dat komt later wel. Daar twijfel ik niet aan.’

Tekst: Nienke Beintema | Fotografie: Dieuwertje Bravenboer

Slimme landbouw: luisteren naar wat planten nodig hebben

Land- en tuinbouw zijn lang niet altijd efficiënt. Vaak kunnen kleine aanpassingen grote verbeteringen opleveren qua opbrengst en duurzaamheid.

Maar welke aanpassingen zijn dat? Onderzoekers binnen het 4TU-programma Plantenna ontwikkelen technieken om rechtstreeks informatie uit planten te halen over wat ze nodig hebben. ‘Als je wacht tot je dat aan de buitenkant ziet, ben je eigenlijk al te laat.’

"Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten."
Gerard Verbiest

Een van de grote uitdagingen van deze eeuw is het voeden van een groeiende wereldbevolking. Van twee miljard inwoners in 1930 is die bevolking exponentieel gegroeid naar 6 miljard in 2000 en bijna 8 miljard nu – en het einde is nog niet in zicht. De modellen verschillen in hun projecties, maar alle voorzien een piek van ten minste 9 miljard mensen. Hoe voed je al die monden, als dat in veel delen van de wereld nu al problematisch is?

De aarde kán al die monden voeden, aldus experts, als we zorgen voor een efficiëntere landbouw, meer plantaardige consumptie, minder verspilling en een eerlijker verdeling. Aan dat eerste punt, een efficiëntere landbouw, werken wetenschappers over de hele wereld samen. Duurzaamheid is daarbij een sleutelwoord, want als die grotere efficiëntie ten koste gaat van natuur, milieu, mens en landschap, dan is de aanpak niet toekomstbestendig.

Wetenschappers van 4TU werken aan duurzame landbouw, samen met een aantal bedrijven. Dat doen ze binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). Dat richt zich op het verkrijgen van informatie uit planten: hoe is de plant eraan toe? Hoe reageert hij op veranderingen in de omgeving, en wat heeft hij nodig? Met die informatie kunnen kwekers de planten optimaal ‘sturen’, met minimaal gebruik van grondstoffen en energie.

Wie?

Gerard Verbiest (1986) is universitair docent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft. Hij onderzoekt de toepassing van ultrageluid (geluid dat zo hoog is dat mensen het niet kunnen horen) voor nieuwe toepassingen in de landbouw en voor beeldvorming van levende cellen en nanotechnologie. Hij is actief binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). 

Jan Westra (1961) is strategic business developer bij Priva. Dit high-techbedrijf is gespecialiseerd in hardware, software en diensten op het gebied van klimaatcontrole, energiebesparing en optimaal watergebruik in de tuinbouw. Priva werkt ook aan gebouw-automatisering. Jan legt verbindingen met innovatie-initiatieven op het gebied van allerlei technologieën, van sensoren tot ‘vertical farming’. Hij werkt daarbij samen met andere bedrijven en met instituten en onderzoeksinitiatieven, waaronder Plantenna.

‘We kunnen al heel veel meten aan de directe omgeving van de plant’, zegt Plantenna-onderzoeker Gerard Verbiest, fysicus aan de TU Delft, tijdens een gesprek in het World Horti Center in Naaldwijk. ‘Maar nu willen we informatie op een slimmere manier uit de plant halen, inzichtelijk maken en vervolgens gebruiken om de groei van de plant te sturen.’

‘We willen steeds dichter naar het gewas toe kruipen’, voegt Jan Westra van high-techbedrijf Priva eraan toe. ‘Een kwart eeuw geleden hadden we al de ‘speaking plant’ als idee. Maar nu zijn we zo ver dat we slim kunnen gaan reageren op wat die plant zegt. En dat de teelt dus veel optimaler wordt.’ 

Hoe werkt dat dan, dat ‘praten’ van planten?
Gerard: ‘Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten. Die kracht trekt het water uit grond omhoog, tot in alle delen van de plant. Maar als er te weinig water in de grond zit, en de verdamping gaat wel gewoon door, dan wordt die kracht op die waterkolommetjes zo groot dat ze breken. Daarbij ontstaan piepkleine luchtbelletjes in de vaten. Dat veroorzaakt trillingen, die je kunt waarnemen als ultrageluid: geluid dat zo hoog is dat wij het niet kunnen waarnemen. Dat was al bekend sinds de jaren ’90, maar er had nog nooit iemand met een ingenieursachtergrond naar gekeken.’

Wat onderzoeken jullie precies?
Gerard: ‘Wij kijken naar de individuele pulsen. Waar komen die frequenties vandaan? Die blijken samen te hangen met onder meer de diameter van de vaten, de lengte, de elasticiteit en de hoeveelheid water in de plant. Het blijkt dat iedere stressfactor – uitdroging, maar ook bijvoorbeeld bepaalde plantenziekten – zich vertaalt in een specifiek patroon in die frequenties. Een soort vingerafdruk die laat zien hoe de plant eraan toe is, en waardoor dat komt. Zo weet je al dat een plant stress heeft, of ziek is, voordat je het aan de buitenkant kunt zien.’

Jan: ‘En dat is heel belangrijk, want zodra je het ziet ben je eigenlijk al te laat. Dan is de productie niet optimaal. Dankzij dit soort onderzoek weten we nu ook dat je planten helemaal niet constant water moet geven. Niet alleen de hoeveelheid, maar ook de timing is van belang. Planten willen liever met droge wortels de nacht in gaan. Als je de watertoevoer slimmer instelt, kun je 30 procent water besparen en 20 procent meer produceren, weten we uit projecten in Californië.’

Wat is hierin de rol van Plantenna?
Gerard: ‘Binnen Plantenna ontwikkelen we sensoren om die parameters heel nauwkeurig te meten. Ik richt mij op ultrageluid; anderen brengen met MRI-technieken de suikerconcentratie in beeld. Weer anderen kijken met radiofrequenties naar de gezondheid van fruit. Binnen het project FruitFrost ontwikkelen we een systeem om de temperatuur van fruit boven nul te houden door middel van slimme sensoren en windturbines die warme lucht door een boomgaard kunnen verspreiden. En er zijn elektrotechnici die zich richten op het ontwikkelen van goedkopere sensoren, zodat deze technieken ook voor mensen in armere landen toegankelijk worden.’

"Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo."
Jan Westra

Waarom zijn deze ontwikkelingen zo belangrijk?
Jan: ‘Er is een groot spanningsveld: over de hele wereld moeten boeren steeds efficiënter en goedkoper produceren om het hoofd boven water te houden. Tegelijkertijd is duidelijk dat we beter voor de aarde moeten zorgen. De regelgeving verandert, maar ook wat consumenten willen. Het gebruik van water, energie en pesticiden moet omlaag. Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo. Die expertise kunnen wij exporteren naar Mexico. Daar kan een boer zó zijn opbrengst verdubbelen, met minder input.’

Gerard: ‘Dat soort ontwikkelingen zien we gelukkig al heel veel. Maar er komt veel meer bij kijken dan alleen techniek. Je hebt ook de juiste mensen nodig. Mensen die weten hoe je een kas goed laat lopen. Daar loopt het tegenwoordig vaak op spaak.’

Jan: ‘Het is moeilijk jonge mensen voor deze opleidingen te interesseren. De tuinbouw heeft nog altijd – ten onrechte – het imago van zwaar, vies werk in de kassen. Maar dat is allang niet meer de realiteit. Allerlei innovaties hebben hun intrede gedaan, waardoor het werk al behoorlijk high-tech is. Maar daar doet een andere uitdaging zich voor: mensen moeten daar natuurlijk wel mee leren omgaan. We kunnen sneller kassen bijbouwen dan mensen opleiden. Ook de automatisering is een uitdaging: ook daar heb je goede mensen voor nodig.’ 

4TU.Plantenna
Plantenna is een samenwerkingsprogramma tussen de vier technische universiteiten op het gebied van duurzame land- en tuinbouw. Binnen Plantenna werken wetenschappers uit allerlei disciplines samen aan innovatieve sensoren die de fysiologische toestand van planten kunnen meten, bijvoorbeeld hun watergehalte en de gezondheid van hun bladeren. Plantenna-onderzoekers rusten planten uit met deze nieuwste generatie sensoren en verbinden ze met elkaar tot een ‘Internet of Plants’. Het resultaat is een landbouwsysteem dat efficiënter – en daarmee ook duurzamer – te reguleren is en een hogere opbrengst geeft.

Kan Plantenna daarin een rol spelen?
Gerard: ‘Een kerntaak van 4TU is nog steeds het opleiden van nieuwe mensen voor de belangrijke ontwikkelingen in de maatschappij. Binnen Plantenna zien we al mooie voorbeelden van masterstudenten die geïnteresseerd raken om verder te gaan in deze richting.’

Jan: ‘Ook wij proberen zo veel mogelijk stagiaires en afstudeerders binnen te krijgen. Een mooie locatie zoals dit World Horti Center kan daar ook aan bijdragen. Hier is een permanente tentoonstelling over de nieuwste technische ontwikkelingen, waar we 25.000 bezoekers per jaar ontvangen, vanuit de hele wereld. En in hetzelfde gebouw zit een tuinbouwopleiding. Het is belangrijk dat we aan de jonge generatie laten zien dat tuinbouw ook spannend en high-tech kan zijn.’ 

Maar is high-tech wel de oplossing voor bijvoorbeeld ontwikkelingslanden?
Jan: ‘Op den duur zeker. Kijk, je moet je realiseren dat veel zaken nog in de ontwikkelingsfase zitten. Binnen Plantenna, maar ook daarbuiten, doen mensen fundamenteel onderzoek naar de werking van planten en ontwikkelen ze technieken om daaraan te meten en de kweek te optimaliseren. Dat kan nu eenmaal het beste in kassen.’

Gerard: ‘Maar met de kennis die dat oplevert, kan het bedrijfsleven producten en technieken gaan ontwikkelen die veel breder toepasbaar zijn. Ook in Zuid-Amerika, Afrika en Azië.’

Jan: ‘De wereld gaat wel mee. Die technieken komen daar echt wel terecht.’

Gerard: ‘Het idee van Plantenna is dat we goedkope sensoren ontwikkelen, met robuuste elektronica. En we werken aan draadloze communicatie, waarmee de boer de informatie over de toestand van zijn gewassen binnenkrijgt op zijn mobiele telefoon. De volgende stap is dan: wat kan de boer met die informatie? We werken nu ook aan manieren om al die data om te zetten naar praktische adviezen voor de eindgebruiker.’ 

Is het realistisch dat een boer in Afrika straks op die manier te werk gaat?
Gerard: ‘Ik denk het wel. Het moet kunnen.’

Jan: ‘Je ziet nu al de eerste voorbeelden van high-tech data die boeren helpt, ook in ontwikkelingslanden. En dat hoeft niet per se met sensoren te zijn. Boeren krijgen nu al adviezen op basis van de analyse van satellietbeelden, bijvoorbeeld. In Europa is die ontwikkeling razendsnel gegaan. Als je dat 50 jaar geleden had voorspeld… Dus ik zie geen enkele reden waarom dat niet ook hiervoor zou gelden.’

Dus over 50 jaar werken boeren wereldwijd met dit soort technieken?
Jan, lachend: ‘In ons veld is 5 of 10 jaar al een heel verre horizon. Zo snel gaan de ontwikkelingen. Dus ik vind dat heel moeilijk te zeggen. En er zijn op veel plekken ook bottlenecks die niets met technologie te maken hebben, maar meer met lokaal bestuur, of met politiek. En in Rusland konden we niet werken met bepaalde radiofrequenties, omdat die al bezet waren door defensie. Dat soort dingen. Maar voor de rest is het gewoon een kwestie van veel geld erin pompen.’

Gerard: ‘Ik denk absoluut dat we technieken uit Plantenna al over 10 jaar in de praktijk kunnen zien.’

Jan: ‘Zeker in de glastuinbouw gaan de ontwikkelingen razendsnel. Nederland loopt daarin voorop, hoor. Mensen uit de hele wereld komen hiernaartoe om te kijken hoe wij dat doen. Maar we moeten wel scherp blijven, ons blijven ontwikkelen. Voor je het weet ben je de Kodak of de Nokia van de tuinbouw.’

Gerard: ‘En we moeten ons dus niet alleen op de techniek richten. De lokale aansturing van bijvoorbeeld kassen is ook een bottleneck. Je kunt wel tienduizenden dollars investeren in mooie sensoren, maar past het wel in je systeem?’ 

"Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld."
Jan Westra

Dat klinkt erg gecompliceerd… hoe  ga je dan te werk als je nieuwe technieken wilt uitrollen, bijvoorbeeld in Afrika?
Jan: ‘Je moet klein beginnen, stapsgewijs werken. Je begint met simpele sensoren in de bodem, afhankelijk van waar je bent. Iedere streek heeft zijn eigen uitdagingen: temperatuur, vocht, nutriënten, plantenziekten… Dus ja, we moeten inzetten op training. Lokale mensen opleiden die weer anderen kunnen opleiden. Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld. Priva heeft bijvoorbeeld een trainingscentrum opgezet in Guatemala. Daar tonen we ‘the latest and the greatest’, maar ook alle stappen die erbij komen kijken. We zijn nu bezig nog vijf trainingscentra op te zetten. Soms begint die training er overigens mee dat mensen leren lezen en schrijven.’

Waarin zit dan voor jullie het verdienmodel?
Jan: ‘Het begint vanuit een maatschappelijke betrokkenheid. Ja, we willen écht iets doen wat de wereld verbetert. We doen veel projecten die ons financieel helemaal niks opleveren. Maar het is natuurlijk niet alleen liefdadigheid. Uiteindelijk zie je dat als mensen zich ontwikkelen, hun landbouw op een hoger niveau komt. En ja, dan gaan ze onze spullen kopen.’

"De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen."
Gerard Verbiest

Gerard: ‘Bij Plantenna richt die maatschappelijk drive zich vooral op Nederland. Er is veel druk vanuit de overheid, en ook vanuit consumenten, om de landbouw te verduurzamen. Dat zie je bijvoorbeeld aan de stikstofdiscussie. 4TU ziet daarin ook een duidelijke rol voor zichzelf. De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen. In Delft weten we veel van fysica, maar voor kennis over plantenfysiologie moeten we in Wageningen zijn en voor de nieuwste draadloze communicatie en elektronica in Eindhoven of Twente.’ 

Wat is de volgende stap binnen Plantenna?
Gerard: ‘Ten eerste werken we steeds meer van laboratorium naar kas. Daarnaast verschuift onze focus richting sensoren die met elkaar zijn verbonden via een draadloos netwerk. We onderzoeken of je radiogolven kunt gebruiken om de sensordata te versturen. Om radiogolven efficiënt te versturen, heb je een antenne nodig. In een deelproject kijken we nu of we de plant zélf als antenne kunnen gebruiken. Vandaar ook de naam van het programma. Het ziet er veelbelovend uit. Of het praktisch direct nuttig is, durf ik nog niet te zeggen, maar het is in elk geval erg leuk.’

Jan: ‘Vaak komen toepassingen pas later om de hoek kijken. Wetenschappelijk onderzoek heeft niet altijd direct nut, maar dat komt later wel. Daar twijfel ik niet aan.’

#3 Slimme Landbouw

Tekst: Nienke Beintema | Fotografie: Dieuwertje Bravenboer

Slimme landbouw: luisteren naar wat planten nodig hebben

Land- en tuinbouw zijn lang niet altijd efficiënt. Vaak kunnen kleine aanpassingen grote verbeteringen opleveren qua opbrengst en duurzaamheid.

Maar welke aanpassingen zijn dat? Onderzoekers binnen het 4TU-programma Plantenna ontwikkelen technieken om rechtstreeks informatie uit planten te halen over wat ze nodig hebben. ‘Als je wacht tot je dat aan de buitenkant ziet, ben je eigenlijk al te laat.’

"Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten."
Gerard Verbiest

Een van de grote uitdagingen van deze eeuw is het voeden van een groeiende wereldbevolking. Van twee miljard inwoners in 1930 is die bevolking exponentieel gegroeid naar 6 miljard in 2000 en bijna 8 miljard nu – en het einde is nog niet in zicht. De modellen verschillen in hun projecties, maar alle voorzien een piek van ten minste 9 miljard mensen. Hoe voed je al die monden, als dat in veel delen van de wereld nu al problematisch is?

De aarde kán al die monden voeden, aldus experts, als we zorgen voor een efficiëntere landbouw, meer plantaardige consumptie, minder verspilling en een eerlijker verdeling. Aan dat eerste punt, een efficiëntere landbouw, werken wetenschappers over de hele wereld samen. Duurzaamheid is daarbij een sleutelwoord, want als die grotere efficiëntie ten koste gaat van natuur, milieu, mens en landschap, dan is de aanpak niet toekomstbestendig.

Wetenschappers van 4TU werken aan duurzame landbouw, samen met een aantal bedrijven. Dat doen ze binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). Dat richt zich op het verkrijgen van informatie uit planten: hoe is de plant eraan toe? Hoe reageert hij op veranderingen in de omgeving, en wat heeft hij nodig? Met die informatie kunnen kwekers de planten optimaal ‘sturen’, met minimaal gebruik van grondstoffen en energie.

Wie?

Gerard Verbiest (1986) is universitair docent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft. Hij onderzoekt de toepassing van ultrageluid (geluid dat zo hoog is dat mensen het niet kunnen horen) voor nieuwe toepassingen in de landbouw en voor beeldvorming van levende cellen en nanotechnologie. Hij is actief binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). 

Jan Westra (1961) is strategic business developer bij Priva. Dit high-techbedrijf is gespecialiseerd in hardware, software en diensten op het gebied van klimaatcontrole, energiebesparing en optimaal watergebruik in de tuinbouw. Priva werkt ook aan gebouw-automatisering. Jan legt verbindingen met innovatie-initiatieven op het gebied van allerlei technologieën, van sensoren tot ‘vertical farming’. Hij werkt daarbij samen met andere bedrijven en met instituten en onderzoeksinitiatieven, waaronder Plantenna.

‘We kunnen al heel veel meten aan de directe omgeving van de plant’, zegt Plantenna-onderzoeker Gerard Verbiest, fysicus aan de TU Delft, tijdens een gesprek in het World Horti Center in Naaldwijk. ‘Maar nu willen we informatie op een slimmere manier uit de plant halen, inzichtelijk maken en vervolgens gebruiken om de groei van de plant te sturen.’

‘We willen steeds dichter naar het gewas toe kruipen’, voegt Jan Westra van high-techbedrijf Priva eraan toe. ‘Een kwart eeuw geleden hadden we al de ‘speaking plant’ als idee. Maar nu zijn we zo ver dat we slim kunnen gaan reageren op wat die plant zegt. En dat de teelt dus veel optimaler wordt.’ 

Hoe werkt dat dan, dat ‘praten’ van planten?
Gerard: ‘Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten. Die kracht trekt het water uit grond omhoog, tot in alle delen van de plant. Maar als er te weinig water in de grond zit, en de verdamping gaat wel gewoon door, dan wordt die kracht op die waterkolommetjes zo groot dat ze breken. Daarbij ontstaan piepkleine luchtbelletjes in de vaten. Dat veroorzaakt trillingen, die je kunt waarnemen als ultrageluid: geluid dat zo hoog is dat wij het niet kunnen waarnemen. Dat was al bekend sinds de jaren ’90, maar er had nog nooit iemand met een ingenieursachtergrond naar gekeken.’

Wat onderzoeken jullie precies?
Gerard: ‘Wij kijken naar de individuele pulsen. Waar komen die frequenties vandaan? Die blijken samen te hangen met onder meer de diameter van de vaten, de lengte, de elasticiteit en de hoeveelheid water in de plant. Het blijkt dat iedere stressfactor – uitdroging, maar ook bijvoorbeeld bepaalde plantenziekten – zich vertaalt in een specifiek patroon in die frequenties. Een soort vingerafdruk die laat zien hoe de plant eraan toe is, en waardoor dat komt. Zo weet je al dat een plant stress heeft, of ziek is, voordat je het aan de buitenkant kunt zien.’

Jan: ‘En dat is heel belangrijk, want zodra je het ziet ben je eigenlijk al te laat. Dan is de productie niet optimaal. Dankzij dit soort onderzoek weten we nu ook dat je planten helemaal niet constant water moet geven. Niet alleen de hoeveelheid, maar ook de timing is van belang. Planten willen liever met droge wortels de nacht in gaan. Als je de watertoevoer slimmer instelt, kun je 30 procent water besparen en 20 procent meer produceren, weten we uit projecten in Californië.’

Wat is hierin de rol van Plantenna?
Gerard: ‘Binnen Plantenna ontwikkelen we sensoren om die parameters heel nauwkeurig te meten. Ik richt mij op ultrageluid; anderen brengen met MRI-technieken de suikerconcentratie in beeld. Weer anderen kijken met radiofrequenties naar de gezondheid van fruit. Binnen het project FruitFrost ontwikkelen we een systeem om de temperatuur van fruit boven nul te houden door middel van slimme sensoren en windturbines die warme lucht door een boomgaard kunnen verspreiden. En er zijn elektrotechnici die zich richten op het ontwikkelen van goedkopere sensoren, zodat deze technieken ook voor mensen in armere landen toegankelijk worden.’

"Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo."
Jan Westra

Waarom zijn deze ontwikkelingen zo belangrijk?
Jan: ‘Er is een groot spanningsveld: over de hele wereld moeten boeren steeds efficiënter en goedkoper produceren om het hoofd boven water te houden. Tegelijkertijd is duidelijk dat we beter voor de aarde moeten zorgen. De regelgeving verandert, maar ook wat consumenten willen. Het gebruik van water, energie en pesticiden moet omlaag. Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo. Die expertise kunnen wij exporteren naar Mexico. Daar kan een boer zó zijn opbrengst verdubbelen, met minder input.’

Gerard: ‘Dat soort ontwikkelingen zien we gelukkig al heel veel. Maar er komt veel meer bij kijken dan alleen techniek. Je hebt ook de juiste mensen nodig. Mensen die weten hoe je een kas goed laat lopen. Daar loopt het tegenwoordig vaak op spaak.’

Jan: ‘Het is moeilijk jonge mensen voor deze opleidingen te interesseren. De tuinbouw heeft nog altijd – ten onrechte – het imago van zwaar, vies werk in de kassen. Maar dat is allang niet meer de realiteit. Allerlei innovaties hebben hun intrede gedaan, waardoor het werk al behoorlijk high-tech is. Maar daar doet een andere uitdaging zich voor: mensen moeten daar natuurlijk wel mee leren omgaan. We kunnen sneller kassen bijbouwen dan mensen opleiden. Ook de automatisering is een uitdaging: ook daar heb je goede mensen voor nodig.’ 

4TU.Plantenna
Plantenna is een samenwerkingsprogramma tussen de vier technische universiteiten op het gebied van duurzame land- en tuinbouw. Binnen Plantenna werken wetenschappers uit allerlei disciplines samen aan innovatieve sensoren die de fysiologische toestand van planten kunnen meten, bijvoorbeeld hun watergehalte en de gezondheid van hun bladeren. Plantenna-onderzoekers rusten planten uit met deze nieuwste generatie sensoren en verbinden ze met elkaar tot een ‘Internet of Plants’. Het resultaat is een landbouwsysteem dat efficiënter – en daarmee ook duurzamer – te reguleren is en een hogere opbrengst geeft.

Kan Plantenna daarin een rol spelen?
Gerard: ‘Een kerntaak van 4TU is nog steeds het opleiden van nieuwe mensen voor de belangrijke ontwikkelingen in de maatschappij. Binnen Plantenna zien we al mooie voorbeelden van masterstudenten die geïnteresseerd raken om verder te gaan in deze richting.’

Jan: ‘Ook wij proberen zo veel mogelijk stagiaires en afstudeerders binnen te krijgen. Een mooie locatie zoals dit World Horti Center kan daar ook aan bijdragen. Hier is een permanente tentoonstelling over de nieuwste technische ontwikkelingen, waar we 25.000 bezoekers per jaar ontvangen, vanuit de hele wereld. En in hetzelfde gebouw zit een tuinbouwopleiding. Het is belangrijk dat we aan de jonge generatie laten zien dat tuinbouw ook spannend en high-tech kan zijn.’ 

Maar is high-tech wel de oplossing voor bijvoorbeeld ontwikkelingslanden?
Jan: ‘Op den duur zeker. Kijk, je moet je realiseren dat veel zaken nog in de ontwikkelingsfase zitten. Binnen Plantenna, maar ook daarbuiten, doen mensen fundamenteel onderzoek naar de werking van planten en ontwikkelen ze technieken om daaraan te meten en de kweek te optimaliseren. Dat kan nu eenmaal het beste in kassen.’

Gerard: ‘Maar met de kennis die dat oplevert, kan het bedrijfsleven producten en technieken gaan ontwikkelen die veel breder toepasbaar zijn. Ook in Zuid-Amerika, Afrika en Azië.’

Jan: ‘De wereld gaat wel mee. Die technieken komen daar echt wel terecht.’

Gerard: ‘Het idee van Plantenna is dat we goedkope sensoren ontwikkelen, met robuuste elektronica. En we werken aan draadloze communicatie, waarmee de boer de informatie over de toestand van zijn gewassen binnenkrijgt op zijn mobiele telefoon. De volgende stap is dan: wat kan de boer met die informatie? We werken nu ook aan manieren om al die data om te zetten naar praktische adviezen voor de eindgebruiker.’ 

Is het realistisch dat een boer in Afrika straks op die manier te werk gaat?
Gerard: ‘Ik denk het wel. Het moet kunnen.’

Jan: ‘Je ziet nu al de eerste voorbeelden van high-tech data die boeren helpt, ook in ontwikkelingslanden. En dat hoeft niet per se met sensoren te zijn. Boeren krijgen nu al adviezen op basis van de analyse van satellietbeelden, bijvoorbeeld. In Europa is die ontwikkeling razendsnel gegaan. Als je dat 50 jaar geleden had voorspeld… Dus ik zie geen enkele reden waarom dat niet ook hiervoor zou gelden.’

Dus over 50 jaar werken boeren wereldwijd met dit soort technieken?
Jan, lachend: ‘In ons veld is 5 of 10 jaar al een heel verre horizon. Zo snel gaan de ontwikkelingen. Dus ik vind dat heel moeilijk te zeggen. En er zijn op veel plekken ook bottlenecks die niets met technologie te maken hebben, maar meer met lokaal bestuur, of met politiek. En in Rusland konden we niet werken met bepaalde radiofrequenties, omdat die al bezet waren door defensie. Dat soort dingen. Maar voor de rest is het gewoon een kwestie van veel geld erin pompen.’

Gerard: ‘Ik denk absoluut dat we technieken uit Plantenna al over 10 jaar in de praktijk kunnen zien.’

Jan: ‘Zeker in de glastuinbouw gaan de ontwikkelingen razendsnel. Nederland loopt daarin voorop, hoor. Mensen uit de hele wereld komen hiernaartoe om te kijken hoe wij dat doen. Maar we moeten wel scherp blijven, ons blijven ontwikkelen. Voor je het weet ben je de Kodak of de Nokia van de tuinbouw.’

Gerard: ‘En we moeten ons dus niet alleen op de techniek richten. De lokale aansturing van bijvoorbeeld kassen is ook een bottleneck. Je kunt wel tienduizenden dollars investeren in mooie sensoren, maar past het wel in je systeem?’ 

"Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld."
Jan Westra

Dat klinkt erg gecompliceerd… hoe  ga je dan te werk als je nieuwe technieken wilt uitrollen, bijvoorbeeld in Afrika?
Jan: ‘Je moet klein beginnen, stapsgewijs werken. Je begint met simpele sensoren in de bodem, afhankelijk van waar je bent. Iedere streek heeft zijn eigen uitdagingen: temperatuur, vocht, nutriënten, plantenziekten… Dus ja, we moeten inzetten op training. Lokale mensen opleiden die weer anderen kunnen opleiden. Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld. Priva heeft bijvoorbeeld een trainingscentrum opgezet in Guatemala. Daar tonen we ‘the latest and the greatest’, maar ook alle stappen die erbij komen kijken. We zijn nu bezig nog vijf trainingscentra op te zetten. Soms begint die training er overigens mee dat mensen leren lezen en schrijven.’

Waarin zit dan voor jullie het verdienmodel?
Jan: ‘Het begint vanuit een maatschappelijke betrokkenheid. Ja, we willen écht iets doen wat de wereld verbetert. We doen veel projecten die ons financieel helemaal niks opleveren. Maar het is natuurlijk niet alleen liefdadigheid. Uiteindelijk zie je dat als mensen zich ontwikkelen, hun landbouw op een hoger niveau komt. En ja, dan gaan ze onze spullen kopen.’

"De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen."
Gerard Verbiest

Gerard: ‘Bij Plantenna richt die maatschappelijk drive zich vooral op Nederland. Er is veel druk vanuit de overheid, en ook vanuit consumenten, om de landbouw te verduurzamen. Dat zie je bijvoorbeeld aan de stikstofdiscussie. 4TU ziet daarin ook een duidelijke rol voor zichzelf. De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen. In Delft weten we veel van fysica, maar voor kennis over plantenfysiologie moeten we in Wageningen zijn en voor de nieuwste draadloze communicatie en elektronica in Eindhoven of Twente.’ 

Wat is de volgende stap binnen Plantenna?
Gerard: ‘Ten eerste werken we steeds meer van laboratorium naar kas. Daarnaast verschuift onze focus richting sensoren die met elkaar zijn verbonden via een draadloos netwerk. We onderzoeken of je radiogolven kunt gebruiken om de sensordata te versturen. Om radiogolven efficiënt te versturen, heb je een antenne nodig. In een deelproject kijken we nu of we de plant zélf als antenne kunnen gebruiken. Vandaar ook de naam van het programma. Het ziet er veelbelovend uit. Of het praktisch direct nuttig is, durf ik nog niet te zeggen, maar het is in elk geval erg leuk.’

Jan: ‘Vaak komen toepassingen pas later om de hoek kijken. Wetenschappelijk onderzoek heeft niet altijd direct nut, maar dat komt later wel. Daar twijfel ik niet aan.’

Tekst: Nienke Beintema | Fotografie: Dieuwertje Bravenboer

Slimme landbouw: luisteren naar wat planten nodig hebben

Land- en tuinbouw zijn lang niet altijd efficiënt. Vaak kunnen kleine aanpassingen grote verbeteringen opleveren qua opbrengst en duurzaamheid.

Maar welke aanpassingen zijn dat? Onderzoekers binnen het 4TU-programma Plantenna ontwikkelen technieken om rechtstreeks informatie uit planten te halen over wat ze nodig hebben. ‘Als je wacht tot je dat aan de buitenkant ziet, ben je eigenlijk al te laat.’

"Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten."
Gerard Verbiest

Een van de grote uitdagingen van deze eeuw is het voeden van een groeiende wereldbevolking. Van twee miljard inwoners in 1930 is die bevolking exponentieel gegroeid naar 6 miljard in 2000 en bijna 8 miljard nu – en het einde is nog niet in zicht. De modellen verschillen in hun projecties, maar alle voorzien een piek van ten minste 9 miljard mensen. Hoe voed je al die monden, als dat in veel delen van de wereld nu al problematisch is?

De aarde kán al die monden voeden, aldus experts, als we zorgen voor een efficiëntere landbouw, meer plantaardige consumptie, minder verspilling en een eerlijker verdeling. Aan dat eerste punt, een efficiëntere landbouw, werken wetenschappers over de hele wereld samen. Duurzaamheid is daarbij een sleutelwoord, want als die grotere efficiëntie ten koste gaat van natuur, milieu, mens en landschap, dan is de aanpak niet toekomstbestendig.

Wetenschappers van 4TU werken aan duurzame landbouw, samen met een aantal bedrijven. Dat doen ze binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). Dat richt zich op het verkrijgen van informatie uit planten: hoe is de plant eraan toe? Hoe reageert hij op veranderingen in de omgeving, en wat heeft hij nodig? Met die informatie kunnen kwekers de planten optimaal ‘sturen’, met minimaal gebruik van grondstoffen en energie.

Wie?

Gerard Verbiest (1986) is universitair docent bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft. Hij onderzoekt de toepassing van ultrageluid (geluid dat zo hoog is dat mensen het niet kunnen horen) voor nieuwe toepassingen in de landbouw en voor beeldvorming van levende cellen en nanotechnologie. Hij is actief binnen het 4TU-programma Plantenna (zie kader). 

Jan Westra (1961) is strategic business developer bij Priva. Dit high-techbedrijf is gespecialiseerd in hardware, software en diensten op het gebied van klimaatcontrole, energiebesparing en optimaal watergebruik in de tuinbouw. Priva werkt ook aan gebouw-automatisering. Jan legt verbindingen met innovatie-initiatieven op het gebied van allerlei technologieën, van sensoren tot ‘vertical farming’. Hij werkt daarbij samen met andere bedrijven en met instituten en onderzoeksinitiatieven, waaronder Plantenna.

‘We kunnen al heel veel meten aan de directe omgeving van de plant’, zegt Plantenna-onderzoeker Gerard Verbiest, fysicus aan de TU Delft, tijdens een gesprek in het World Horti Center in Naaldwijk. ‘Maar nu willen we informatie op een slimmere manier uit de plant halen, inzichtelijk maken en vervolgens gebruiken om de groei van de plant te sturen.’

‘We willen steeds dichter naar het gewas toe kruipen’, voegt Jan Westra van high-techbedrijf Priva eraan toe. ‘Een kwart eeuw geleden hadden we al de ‘speaking plant’ als idee. Maar nu zijn we zo ver dat we slim kunnen gaan reageren op wat die plant zegt. En dat de teelt dus veel optimaler wordt.’ 

Hoe werkt dat dan, dat ‘praten’ van planten?
Gerard: ‘Planten maken geluid als ze stress ervaren. Ja, echt. De verdamping in de bladeren creëert een trekkracht in de vaten. Die kracht trekt het water uit grond omhoog, tot in alle delen van de plant. Maar als er te weinig water in de grond zit, en de verdamping gaat wel gewoon door, dan wordt die kracht op die waterkolommetjes zo groot dat ze breken. Daarbij ontstaan piepkleine luchtbelletjes in de vaten. Dat veroorzaakt trillingen, die je kunt waarnemen als ultrageluid: geluid dat zo hoog is dat wij het niet kunnen waarnemen. Dat was al bekend sinds de jaren ’90, maar er had nog nooit iemand met een ingenieursachtergrond naar gekeken.’

Wat onderzoeken jullie precies?
Gerard: ‘Wij kijken naar de individuele pulsen. Waar komen die frequenties vandaan? Die blijken samen te hangen met onder meer de diameter van de vaten, de lengte, de elasticiteit en de hoeveelheid water in de plant. Het blijkt dat iedere stressfactor – uitdroging, maar ook bijvoorbeeld bepaalde plantenziekten – zich vertaalt in een specifiek patroon in die frequenties. Een soort vingerafdruk die laat zien hoe de plant eraan toe is, en waardoor dat komt. Zo weet je al dat een plant stress heeft, of ziek is, voordat je het aan de buitenkant kunt zien.’

Jan: ‘En dat is heel belangrijk, want zodra je het ziet ben je eigenlijk al te laat. Dan is de productie niet optimaal. Dankzij dit soort onderzoek weten we nu ook dat je planten helemaal niet constant water moet geven. Niet alleen de hoeveelheid, maar ook de timing is van belang. Planten willen liever met droge wortels de nacht in gaan. Als je de watertoevoer slimmer instelt, kun je 30 procent water besparen en 20 procent meer produceren, weten we uit projecten in Californië.’

Wat is hierin de rol van Plantenna?
Gerard: ‘Binnen Plantenna ontwikkelen we sensoren om die parameters heel nauwkeurig te meten. Ik richt mij op ultrageluid; anderen brengen met MRI-technieken de suikerconcentratie in beeld. Weer anderen kijken met radiofrequenties naar de gezondheid van fruit. Binnen het project FruitFrost ontwikkelen we een systeem om de temperatuur van fruit boven nul te houden door middel van slimme sensoren en windturbines die warme lucht door een boomgaard kunnen verspreiden. En er zijn elektrotechnici die zich richten op het ontwikkelen van goedkopere sensoren, zodat deze technieken ook voor mensen in armere landen toegankelijk worden.’

"Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo."
Jan Westra

Waarom zijn deze ontwikkelingen zo belangrijk?
Jan: ‘Er is een groot spanningsveld: over de hele wereld moeten boeren steeds efficiënter en goedkoper produceren om het hoofd boven water te houden. Tegelijkertijd is duidelijk dat we beter voor de aarde moeten zorgen. De regelgeving verandert, maar ook wat consumenten willen. Het gebruik van water, energie en pesticiden moet omlaag. Een boer in Mexico heeft al gauw 100 tot 300 liter water nodig om een kilo tomaten te produceren. In onze beste Nederlandse kassen is dat maar 4 liter per kilo. Die expertise kunnen wij exporteren naar Mexico. Daar kan een boer zó zijn opbrengst verdubbelen, met minder input.’

Gerard: ‘Dat soort ontwikkelingen zien we gelukkig al heel veel. Maar er komt veel meer bij kijken dan alleen techniek. Je hebt ook de juiste mensen nodig. Mensen die weten hoe je een kas goed laat lopen. Daar loopt het tegenwoordig vaak op spaak.’

Jan: ‘Het is moeilijk jonge mensen voor deze opleidingen te interesseren. De tuinbouw heeft nog altijd – ten onrechte – het imago van zwaar, vies werk in de kassen. Maar dat is allang niet meer de realiteit. Allerlei innovaties hebben hun intrede gedaan, waardoor het werk al behoorlijk high-tech is. Maar daar doet een andere uitdaging zich voor: mensen moeten daar natuurlijk wel mee leren omgaan. We kunnen sneller kassen bijbouwen dan mensen opleiden. Ook de automatisering is een uitdaging: ook daar heb je goede mensen voor nodig.’ 

4TU.Plantenna
Plantenna is een samenwerkingsprogramma tussen de vier technische universiteiten op het gebied van duurzame land- en tuinbouw. Binnen Plantenna werken wetenschappers uit allerlei disciplines samen aan innovatieve sensoren die de fysiologische toestand van planten kunnen meten, bijvoorbeeld hun watergehalte en de gezondheid van hun bladeren. Plantenna-onderzoekers rusten planten uit met deze nieuwste generatie sensoren en verbinden ze met elkaar tot een ‘Internet of Plants’. Het resultaat is een landbouwsysteem dat efficiënter – en daarmee ook duurzamer – te reguleren is en een hogere opbrengst geeft.

Kan Plantenna daarin een rol spelen?
Gerard: ‘Een kerntaak van 4TU is nog steeds het opleiden van nieuwe mensen voor de belangrijke ontwikkelingen in de maatschappij. Binnen Plantenna zien we al mooie voorbeelden van masterstudenten die geïnteresseerd raken om verder te gaan in deze richting.’

Jan: ‘Ook wij proberen zo veel mogelijk stagiaires en afstudeerders binnen te krijgen. Een mooie locatie zoals dit World Horti Center kan daar ook aan bijdragen. Hier is een permanente tentoonstelling over de nieuwste technische ontwikkelingen, waar we 25.000 bezoekers per jaar ontvangen, vanuit de hele wereld. En in hetzelfde gebouw zit een tuinbouwopleiding. Het is belangrijk dat we aan de jonge generatie laten zien dat tuinbouw ook spannend en high-tech kan zijn.’ 

Maar is high-tech wel de oplossing voor bijvoorbeeld ontwikkelingslanden?
Jan: ‘Op den duur zeker. Kijk, je moet je realiseren dat veel zaken nog in de ontwikkelingsfase zitten. Binnen Plantenna, maar ook daarbuiten, doen mensen fundamenteel onderzoek naar de werking van planten en ontwikkelen ze technieken om daaraan te meten en de kweek te optimaliseren. Dat kan nu eenmaal het beste in kassen.’

Gerard: ‘Maar met de kennis die dat oplevert, kan het bedrijfsleven producten en technieken gaan ontwikkelen die veel breder toepasbaar zijn. Ook in Zuid-Amerika, Afrika en Azië.’

Jan: ‘De wereld gaat wel mee. Die technieken komen daar echt wel terecht.’

Gerard: ‘Het idee van Plantenna is dat we goedkope sensoren ontwikkelen, met robuuste elektronica. En we werken aan draadloze communicatie, waarmee de boer de informatie over de toestand van zijn gewassen binnenkrijgt op zijn mobiele telefoon. De volgende stap is dan: wat kan de boer met die informatie? We werken nu ook aan manieren om al die data om te zetten naar praktische adviezen voor de eindgebruiker.’ 

Is het realistisch dat een boer in Afrika straks op die manier te werk gaat?
Gerard: ‘Ik denk het wel. Het moet kunnen.’

Jan: ‘Je ziet nu al de eerste voorbeelden van high-tech data die boeren helpt, ook in ontwikkelingslanden. En dat hoeft niet per se met sensoren te zijn. Boeren krijgen nu al adviezen op basis van de analyse van satellietbeelden, bijvoorbeeld. In Europa is die ontwikkeling razendsnel gegaan. Als je dat 50 jaar geleden had voorspeld… Dus ik zie geen enkele reden waarom dat niet ook hiervoor zou gelden.’

Dus over 50 jaar werken boeren wereldwijd met dit soort technieken?
Jan, lachend: ‘In ons veld is 5 of 10 jaar al een heel verre horizon. Zo snel gaan de ontwikkelingen. Dus ik vind dat heel moeilijk te zeggen. En er zijn op veel plekken ook bottlenecks die niets met technologie te maken hebben, maar meer met lokaal bestuur, of met politiek. En in Rusland konden we niet werken met bepaalde radiofrequenties, omdat die al bezet waren door defensie. Dat soort dingen. Maar voor de rest is het gewoon een kwestie van veel geld erin pompen.’

Gerard: ‘Ik denk absoluut dat we technieken uit Plantenna al over 10 jaar in de praktijk kunnen zien.’

Jan: ‘Zeker in de glastuinbouw gaan de ontwikkelingen razendsnel. Nederland loopt daarin voorop, hoor. Mensen uit de hele wereld komen hiernaartoe om te kijken hoe wij dat doen. Maar we moeten wel scherp blijven, ons blijven ontwikkelen. Voor je het weet ben je de Kodak of de Nokia van de tuinbouw.’

Gerard: ‘En we moeten ons dus niet alleen op de techniek richten. De lokale aansturing van bijvoorbeeld kassen is ook een bottleneck. Je kunt wel tienduizenden dollars investeren in mooie sensoren, maar past het wel in je systeem?’ 

"Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld."
Jan Westra

Dat klinkt erg gecompliceerd… hoe  ga je dan te werk als je nieuwe technieken wilt uitrollen, bijvoorbeeld in Afrika?
Jan: ‘Je moet klein beginnen, stapsgewijs werken. Je begint met simpele sensoren in de bodem, afhankelijk van waar je bent. Iedere streek heeft zijn eigen uitdagingen: temperatuur, vocht, nutriënten, plantenziekten… Dus ja, we moeten inzetten op training. Lokale mensen opleiden die weer anderen kunnen opleiden. Dáár ligt ook een taak voor ons als Nederlanders: zorgen dat mensen zelf een lokale basis kunnen opbouwen. Niet zeggen: kijk eens wat een leuke speeltjes wij hebben ontwikkeld. Priva heeft bijvoorbeeld een trainingscentrum opgezet in Guatemala. Daar tonen we ‘the latest and the greatest’, maar ook alle stappen die erbij komen kijken. We zijn nu bezig nog vijf trainingscentra op te zetten. Soms begint die training er overigens mee dat mensen leren lezen en schrijven.’

Waarin zit dan voor jullie het verdienmodel?
Jan: ‘Het begint vanuit een maatschappelijke betrokkenheid. Ja, we willen écht iets doen wat de wereld verbetert. We doen veel projecten die ons financieel helemaal niks opleveren. Maar het is natuurlijk niet alleen liefdadigheid. Uiteindelijk zie je dat als mensen zich ontwikkelen, hun landbouw op een hoger niveau komt. En ja, dan gaan ze onze spullen kopen.’

"De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen."
Gerard Verbiest

Gerard: ‘Bij Plantenna richt die maatschappelijk drive zich vooral op Nederland. Er is veel druk vanuit de overheid, en ook vanuit consumenten, om de landbouw te verduurzamen. Dat zie je bijvoorbeeld aan de stikstofdiscussie. 4TU ziet daarin ook een duidelijke rol voor zichzelf. De TU’s werken echt samen aan duurzaamheid, in gemeenschappelijke projecten. We gebruiken elkaars expertise om tot nieuwe oplossingen te komen. In Delft weten we veel van fysica, maar voor kennis over plantenfysiologie moeten we in Wageningen zijn en voor de nieuwste draadloze communicatie en elektronica in Eindhoven of Twente.’ 

Wat is de volgende stap binnen Plantenna?
Gerard: ‘Ten eerste werken we steeds meer van laboratorium naar kas. Daarnaast verschuift onze focus richting sensoren die met elkaar zijn verbonden via een draadloos netwerk. We onderzoeken of je radiogolven kunt gebruiken om de sensordata te versturen. Om radiogolven efficiënt te versturen, heb je een antenne nodig. In een deelproject kijken we nu of we de plant zélf als antenne kunnen gebruiken. Vandaar ook de naam van het programma. Het ziet er veelbelovend uit. Of het praktisch direct nuttig is, durf ik nog niet te zeggen, maar het is in elk geval erg leuk.’

Jan: ‘Vaak komen toepassingen pas later om de hoek kijken. Wetenschappelijk onderzoek heeft niet altijd direct nut, maar dat komt later wel. Daar twijfel ik niet aan.’