Nieuws uit de Agrotopia leerstoel: een virtuele tweeling om lichtverdeling in verticale serreteelt te optimaliseren
Vertical farming biedt een veelbelovende oplossing voor duurzame en lokale voedselproductie in stedelijke omgevingen. Door in lagen te telen, kan op een beperkte oppervlakte toch een hoge opbrengst worden gerealiseerd. De gevelserre van Agrotopia is een voorbeeld van zo’n innovatieve teeltomgeving. Toch blijft een optimale lichtverdeling een uitdaging, zeker in de onderste teeltlagen. Binnen de Agrotopia leerstoel werd daarom een digital twin of virtuele tweeling ontwikkeld: een virtuele kopie van de serre die toelaat om lichtstrategieën digitaal te testen en te optimaliseren.
Digitale tweeling als simulatie-instrument
De digitale tweeling is een computermodel dat de serreomgeving en plantengroei realistisch nabootst (zie figuur 1) om een grote hoeveelheid combinaties te kunnen screenen zonder de limitatie van o.a. teeltduur en constructiekosten. Dit bespaart tijd en middelen, en maakt het mogelijk om gericht te zoeken naar de meest efficiënte bijbelichtingsstrategieën. De ontwikkeling van dit model gebeurde in het kader van de masterproef van Margot Van Coillie (UGent), onder begeleiding van prof. Kathy Steppe en prof. Jan Pieters, met ondersteuning van dr. Jonas Coussement en ir. Simon Lauwers.
Figuur 1: Een digitale tweeling van de meerlagenteelt bij sla.
Praktijkproef in de gevelserre van Agrotopia
Om het model te voeden met realistische data, werd een proef opgezet in de gevelserre van Agrotopia. Sla (cv. ‘Alyssa’) werd gebruikt als modelplant. Er werden drie lichtbehandelingen vergeleken: enkel zonlicht, wit licht en rood-blauw licht. Tijdens de proef werden zowel de serre-infrastructuur als de lichtinstallaties nauwkeurig in kaart gebracht. Plantengroei, fotosynthese en omgevingsfactoren werden systematisch gemeten.
De verschillende lichtbehandelingen resulteerden in duidelijke verschillen in plantmorfologie:
- Planten onder enkel zonlicht ontwikkelden losse kroppen met grote bladeren, terwijl bijbelichte planten een compactere groei vertoonden.
- De slaplanten onder zonlicht vertoonden een slechte kropvorming als gevolg van lage lichtinval tijdens de proef (figuur 2).
- Tussen wit en rood-blauw licht werden geen significante verschillen vastgesteld in bladdikte, drooggewicht of bladaantal.
Figuur 2: Duidelijke verschillen in kropvorming. Links: Kropvorming na afloop van het experiment bij de rood-blauwe bijbelichting in de meerlagenstructuur. Rechts: Kropvorming na hetzelfde experiment, maar bij de vrijstaande planten met enkel zonlicht.
Modelvalidatie en inzichten
Alle verzamelde data werd geïntegreerd in een gekalibreerd model, dat vervolgens gevalideerd werd aan de hand van fotosynthesemetingen op plantniveau. Het model werd onderbouwd met morfologische plantdata, omgevingsdata en fotosynthesemetingen op bladniveau. Simulaties hadden tot doel de fotosynthese van de volledige plant in een dynamische omgeving in kaart te brengen.
De simulaties toonden een dalende trend in fotosynthese doorheen de proef, vooral door onderbelichte bladeren onderaan de plant. Deze trend werd echter niet bevestigd door metingen op plantniveau, wat doet vermoeden dat het model de bladrespiratie of ademhaling overschat. Respiratie is het proces waarbij planten zuurstof gebruiken om energie te produceren uit suikers. Daarbij komt koolstofdioxide vrij. Het is een noodzakelijk proces voor de plant om te kunnen groeien en zichzelf in stand te houden.
Als het model deze respiratie te hoog inschat, presteert de plant minder goed dan in werkelijkheid het geval is. Daarom is verdere verfijning van het model nodig om dit proces nauwkeuriger te kunnen voorspellen.
Toekomstperspectieven
De digitale tweeling biedt een krachtig hulpmiddel om lichtstrategieën in verticale serres te optimaliseren. Door het model verder te verfijnen met kennis van de plant-omgevingrelatie (temperatuur, luchtvochtigheid en verschillende lichtgolflengten zoals rood, blauw, groen en ver-rood) kunnen onderzoekers en telers samen toewerken naar een efficiëntere en duurzamere teelt. De verdere ontwikkeling van dit model zal bijdragen aan een beter begrip van de complexe interacties tussen plant en omgeving in meerlagenteelt.
Masteronderzoek binnen de Agrotopia leerstoel
Dit onderzoek werd uitgevoerd binnen de Agrotopia leerstoel, een initiatief van Inagro en REO Veiling in samenwerking met Universiteit Gent. De Agrotopia leerstoel zet in op een toekomstgerichte professionele glastuinbouw in een klimaatgestuurde omgeving in de stadsrand of de stad. Het vormt een inspirerend kader voor de ontwikkeling en realisatie van innovatieve concepten in glastuinbouwtechnologie en verticale stadstuinbouw.