Wie die Salzburg AG mit einer neuen Crowdinvesting-Plattform die Energiewende vorantreibt

06.02.2023

Agrar & FoodTech: Wie alternative Ernährungsweisen unsere Umwelt retten

Unterwasserfarmen und Fleisch aus dem Labor sind viel mehr als utopische Vorstellungen einer klimaschonenden Zukunft: Die Innovation Map der WKÖ zeigt, wie neueste Agrar- und Food-Technologien unser Leben verändern könnten.

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Die Sache mit dem Fleisch

Im Durchschnitt essen Österreicher:innen zu viel Fleisch, nämlich 1200 Gramm pro Woche und damit rund 59 Kilogramm pro Jahr. Dem Gesundheitsministerium zufolge essen wir damit dreimal mehr Fleisch, als wir sollten. Die empfohlene Wochenmenge liegt nämlich bei 300 bis 450 Gramm. Der Konsum von zu viel Fleisch kann nicht nur unseren Körper belasten und etwa das Risiko eines steigenden Cholesterinspiegels oder einer Herzkreislauferkrankung erhöhen, sondern auch unserer Umwelt erheblichen Schaden zufügen.

Wie die Landwirtschaft der Zukunft aussehen könnte

Doch nicht nur unser Fleischkonsum, sondern vor allem auch der Sektor Landwirtschaft ist für eine nachhaltige und klimaneutrale Zukunft von großer Bedeutung. Aktuell wird nämlich mehr als die Hälfte der bewohnbaren, also eis- und wüstenfreien Erdoberfläche, von der Landwirtschaft genutzt, so die Online-Informationsplattform Our World in Data. Mit der überdimensionalen Flächennutzung geht ein enormer Ressourcenverbrauch einher: Rund 70 Prozent des global verfügbaren Trinkwassers wird vom Agrarsektor verwendet.

Landwirtschaft unter Wasser

Eine ressourcenschonende Lösung findet sich in der Innovation Map mit dem Prototyp der Unterwasserfarm: Die Zucht aquatischer Flora und Fauna in offshore-betriebenen Anlagen könnte die Lebensmittelversorgung der Zukunft nachhaltig gestalten. Unterwasserfarmen sollen dabei eine klimastabile Umgebung gewährleisten, ganz ohne temperaturregulierende Kühl- und Heizsysteme, die den Ernteertrag optimieren soll. Dabei sollen Unterwasserkapseln in fünf bis acht Metern unter der Wasseroberfläche verankert werden und dadurch gleichmäßige Temperaturen, Luftfeuchtigkeit sowie Schutz vor extremen Wetterbedingungen gewährleisten.

In Unterwasserkapseln werden bereits Salat, Basilikum und Erdbeeren gezüchtet. Auch Projekte zur Zucht von Jakobsmuscheln, Venusmuscheln, Austern und Algen sind in Vorbereitung. Die eingesetzten Ocean-Framing-Systeme entfernen Stickstoff, Phosphor und Kohlendioxid aus dem Wasser und helfen dadurch, die Ökosysteme der Ozeane zu schützen. Derartige regenerative Meeresbewirtschaftungen könnten also eine wichtige Rolle als Naturschutzgebiete und zur Versorgung von Küstengemeinden spielen.

Aktuell werden Unterwasserfarmen auf eine Anwendung in Meeren und Ozeanen erprobt. Bald könnten Farmkapseln aber auch in Flüssen und Seen eingesetzt werden, was vor allem in bevölkerungsreichen Teilen der Erde die Versorgung mit hochwertigem, tierischen Eiweiß nachhaltig sicherstellen könnte.

Fleisch aus dem Glas

Unsere Umwelt wird nicht zuletzt durch intensive Grünlandnutzung belastet, sondern auch durch übermäßigen Fleischkonsum: Rund 94 Prozent der auf unserer Erde lebenden Säugetiere, Menschen vorweg, sind Viehbestand zu landwirtschaftlichen Zwecken. Kulturell akzeptable Alternativen zu Tierfleisch zu finden ist also eine Notwendigkeit für eine wachsende Gesellschaft.

Wie also nicht nur Agrarfläche, sondern auch Fleischkonsum reduziert und durch Alternativen ersetzt werden kann, zeigt die Innovation Map anhand des “In-Vitro-Fleisch” Prototypen: Dabei handelt es sich um künstliches Fleisch, das aus tierischen Zellen unter Laborbedingungen gezüchtet wird. Das “Fleisch aus dem Glas” könnte herkömmliches Fleisch in Zukunft für den menschlichen Verzehr ersetzen. Die Zellen werden tierischem Muskelgewebe entnommen und in einer Petrischale mit Nährstoffen wie Aminosäuren, Kohlenhydraten, Mineralien, Fetten und Vitaminen vermengt. Die Zellenkombination wächst dann so lange, bis genügend kultiviertes Fleisch für den Verzehr entsteht. Da auch beim In-Vitro-Fleisch das Auge mit isst, soll ein “Gerüstknochen” dem Laborprodukt eine fleischartige Form verleihen.

Der In-Vitro-Kultivierung sind keine Grenzen gesetzt: Durch genetische Manipulation könnten auch vollkommen neue Nahrungsmittel hergestellt werden, die unterschiedliche Ernährungsbedürfnisse abdecken könnten. Mit fortschreitender Forschung sollen In-Vitro-Methoden bald skalier- und breitflächig nutzbar werden.

Lust auf mehr Zukunft?

Unterwasserfarmen und In-Vitro-Fleisch sind dir nicht genug? Keine Sorge, die Innovation Map bietet Einblicke in die Zukunft der Agrar- und Food-Tech-Szene: Von autonomen Landwirtschaftsfahrzeugen über Wasserdrohnen bis hin zu algenbasierten Mahlzeitenalternativen und 3D-gedruckten Lebensmitteln ist alles dabei.

Stöbere am besten gleich durch die Innovation Map der WKÖ: Denn die Innovation Map bietet neben der Agrartechnologie und den Ernährungstrends auch Einblicke in viele weitere Technologien aus den Bereichen Smart Living, Daten Ära, Menschliche Fortentwicklung und Energie und Nachhaltigkeit. Die interaktive Map zeigt 105 Technologien, die nach ihrem Technology Readiness Level von ihrer Vision bis zu ihrem konkreten Produkt eingeordnet, Nachhaltigkeitszielen zugeordnet und mit Forschungsergebnissen, Papers und Hintergrundinformationen belegt wurden. Die Innovation Map wurde von internationalen Forschungseinrichtungen und Universitäten wie Stanford, dem Imperial College London und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), aber auch österreichischen Universitäten wie der Uni Innsbruck, validiert.

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Manche Wege sind direkt und vorgezeichnet – Schule, Bildung, Ausbildung und ein Job in dem Bereich, den man beherrscht. Andere sind von Umwegen gezeichnet, Mühsal und Zeiten, in denen man nicht weiß, wie es genau weitergehen soll. Raphael Suchomels Vita ist eine von den nicht-linearen.

„Plötzlich Mitternacht“

Er hat mit 18 die Schule zum ersten Mal abgebrochen und sich eine Vollzeitstelle gesucht. Der gebürtige Wiener schrieb sich fortan in eine Abendschule ein, brach jene aber – ein mal mit 19 und einmal mit 21 Jahren – wiederholt ab. Doch der Gedanke des endgültigen Aufgebens war keiner und im jungen Mann schlicht nicht vorhanden. So war es dann mit 22 soweit: der vierte Versuch, die Matura nachzuholen, gelang.

„Ich war in einer Abendschule im 21. Bezirk“, erinnert sich der 27-Jährige. „Von neun bis 17 Uhr Vollzeitjob, dann Unterricht bis halb zehn und anschließend noch Training. Und plötzlich war es Mitternacht.“

Zwei Jahre lang bestimmte dieser straffe Rhythmus seinen Alltag. Trotz der Doppelbelastung hielt der heutige Wahl-Hagenberger durch – und schloss die Abendschule schließlich mit ausgezeichnetem Erfolg ab.

Studium in Hagenberg

Es folgte ein Umzug von Wien nach Oberösterreich und der Start des ersten Jahrgangs des damals neu geschaffenen Bachelorstudiums „Artificial Intelligence Solutions“ an der University of Applied Sciences Upper Austria in Hagenberg.

Suchomel gehörte zudem zu den Mitgründern der Young AI Leaders Linz, einer lokalen Community innerhalb der AI-for-Good-Initiative der International Telecommunication Union der Vereinten Nationen. Die Gruppe bringt junge Menschen aus Forschung und Technologie zusammen und organisiert unter anderem Hackathons und Diskussionsveranstaltungen rund um Künstliche Intelligenz.

© Harvard/zVg – Eine 3D-Simulation eines schwach elektrischen Fisches.

Nach rund 100 verschickten Mails – die meisten davon blieben unbeantwortet – gelang es Suchomel schließlich, einen Forschungsaufenthalt als Praktikant an der Harvard Medical School zu ergattern. Dort befindet er sich auch heute und forscht an der Schnittstelle von Künstlicher Intelligenz und Neurowissenschaften.

Im Mittelpunkt seiner Arbeit stehen biologisch fundierte künstliche Agenten. Vereinfacht gesagt, bauen die Forschenden in Harvard virtuelle Tiere im Computer. Diese Tiere bekommen künstliche neuronale Netze und bestimmte Sinneswahrnehmungen und Bewegungsmöglichkeiten, die sich an echten Tieren orientieren. Anschließend lernen sie mit einer Methode namens „Reinforcement Learning“. Dabei wird ihnen nicht jede Handlung vorgegeben. Sie probieren unterschiedliche Verhaltensweisen aus und lernen über Belohnungen und Nachteile selbst, welche Strategien erfolgreich sind.

„Schauen wie sich Agent verhält“

„Wir kennen aus der Biologie die körperlichen Einschränkungen von Fischen“, erklärt Suchomel. „Wir wissen, wie sich Augen im Winkel bewegen, wie schnell sie sind und welche anderen biologischen Einschränkungen es gibt. Und wir statten einen ‚Reinforcement-Learning‘-Agenten mit diesem Wissen aus: Wir simulieren den Körper eines Fisches, sodass er über diesen Körper mit der Umwelt und mit anderen Fischen kommuniziert. Das schicken wir durch eine ‚Reinforcement-Learning‘-Umgebung, simulieren Trajektorien und schauen, wie sich der Agent verhält.“

Die Simulation funktioniert wie ein virtuelles Labor. Forscher können einzelne Sinneskanäle ausschalten, Kommunikationssignale verändern oder die Umwelt der Agenten manipulieren und beobachten, wie sich ihr Verhalten verändert. Damit sollen Hypothesen darüber entwickelt werden, warum bestimmte Verhaltensweisen entstehen und welche Mechanismen dahinterstecken. Solche Hypothesen sollen anschließend gezielter in Experimenten mit echten Tieren überprüft werden können.

Der Vorteil hierbei sei, dass man nicht jedes Verhalten explizit programmieren müsse, sondern durch die Kombination aus Körper, biologischen Einschränkungen, Umwelt und „Reinforcement Learning“ Verhalten entstehen lassen könne, das möglicherweise dem Verhalten echter Fische ähnelt. So soll — und das ist das Ziel — Forschung günstiger und schneller werden, sagt Suchomel. Man könne zudem Variablen besser isolieren und kontrollieren und neuronale Netze viel genauer analysieren. Das wäre bei echten Fischen teilweise sogar viel schwieriger, vor allem wenn man ihr Zusammenspiel mit anderen Fischen untersuchen möchte.

Künstliche und natürliche Intelligenz

Die Harvard Medical School und andere Institute verfolgen seit Längerem das Ziel, KI zu nutzen, um natürliche Intelligenz besser zu verstehen – und umgekehrt auch natürliche Intelligenz für die Entwicklung von KI zu nutzen.

„Dafür gibt es im KI-Bereich viele verschiedene Methoden und Ansätze, die sich an Beobachtungen aus der Natur orientieren. Gleichzeitig gibt es immer mehr Forschung an der Schnittstelle von KI und Biologie, bei der KI-Forscher und Biologen zusammenarbeiten“, sagt Suchomel. „Wenn man beispielsweise genau weiß, wie die Umgebung aussieht, und gleichzeitig die Kommunikation eines Fisches beobachtet, könnte man künftig elektrische Signale interpretieren. So lässt sich etwa erkennen, dass ein bestimmtes Signal ausgesendet wird, weil sich der Fisch bedroht fühlt. Dadurch könnte man nicht nur einzelne Fische, sondern auch die Gruppendynamik analysieren – und besser verstehen, wie sich die Tiere untereinander und in ihrer Umwelt verhalten.“

Suchomels Praktikum in Harvard reicht noch bis Februar, danach führt ihn den Weg nach Belgien an die KU Leuven – eine, wie er sagt „der besten Unis in Europa wenn es um KI geht“. Anschließend möchte er in einen „starken Master“ reinkommen und weiter an KI forschen. Wo das sein wird, sei erstmal zweitrangig: „Hauptsache starke Labs.“

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