(04. September 2013) Folkard Asch schreitet an den Reispflanzen vorbei und freut sich, dass diese gut gedeihen. Das alleine ist nichts Besonderes, denn Reis gehört zu den wichtigsten Nahrungsquellen unseres Planeten, sein Anbau ist Alltag und Routine. Aber: Asch läuft nicht in Gummistiefeln auf überschwemmtem Ackerboden, sondern geht trockenen Fußes durch wohltemperierte Laborräume. Die Pflanzen stecken nicht im Boden, sondern in einer Kunststoffmembran, aus der die Wurzeln nach unten hinausragen und freihängend in der Luft von einem Nährstoffnebel versorgt werden.
Noch sammeln Asch und seine Kollegen nur Daten über die Bedingungen, unter denen sich Reis in geschlossenen Räumen am besten aufziehen lässt. Doch irgendwann einmal sollen die Pflanzen in einem speziellen Hochhaus wachsen, das einzig auf den Reisanbau ausgerichtet ist. Dann könnten auch andere Gebäude in die Luft ragen, in denen diverse Gemüsesorten gezüchtet werden. In einigen von ihnen soll es zusätzlich Fischfarmen geben. Auf engstem Raum wüchse alles, was man zum Leben braucht, und das mitten in der Stadt – die Urbanen von morgen wären dann nicht mehr von Nahrungsmitteln aus weiter Ferne abhängig.
Die dritte Dimension
Doch zurück in die Gegenwart: Asch ist Fachgebietsleiter am Institut für Pflanzenproduktion und Agrarökologie in den Tropen und Subtropen der Universität Hohenheim. Der Pflanzenphysiologe untersucht Faktoren, die das Wachstum von Nutzpflanzen wie Reis beeinflussen und welche Rolle dabei der Klimawandel spielt. Ihm liegen nachhaltige Anbaumethoden am Herzen, die die Ökosysteme schonen und trotzdem die Ernährung der Bevölkerung sicherstellen. Leichter gesagt als getan, denn immerhin leben bereits heute mehr als sieben Milliarden Menschen auf der blauen Kugel. Bis 2050 wird ein Zuwachs von mindestens zwei Milliarden weiteren Erdenbürgern erwartet.
Landwirtschaft aber erfordert, wie der Name schon sagt, vor allem eines: Land. Nähme man alle Anbauflächen dieser Welt zusammen, so könnte man damit den gesamten südamerikanischen Kontinent bedecken. Die Nachfrage nach Nahrung wird weiter steigen, doch die nutzbaren Flächen sind begrenzt. „Kann man die Städte nachhaltig an der Nahrungsmittelproduktion beteiligen?“, denkt Asch laut nach. Gemüse und Getreide würde man dann dort anbauen, wo sie auch gebraucht werden. Da im urbanen Raum aber weder Ackerland noch weite Flächen zur Verfügung stehen, muss man dort eben in die Vertikale ausweichen.
Und man tat es.
Herausgekommen ist ein Wolkenkratzer, in dem auf mehr als 100 Etagen Reis angebaut werden soll. Noch handelt es sich bei dem Bauwerk aber lediglich um ein etwa ein Meter hohes Modell im Maßstab 1:333, konstruiert von der Architektin Gundula Schieber an der Uni Stuttgart. Bis daraus markttaugliche Realität wird, ist es noch ein weiter Weg. Zunächst einmal müssen grundsätzliche Fragen geklärt werden: „Ist es möglich“, fragt Asch, „Nährstoff-, Wasser- und Energiekreisläufe so zu schließen, dass man mit möglichst wenig Ressourcen in solch einem Haus tatsächlich nachhaltig und sicher Reis produzieren kann? Oder überhaupt Grundnahrungsmittel?“ Gelänge dies, wäre man völlig unabhängig von den klimatischen Gegebenheiten – das Klima könnte in dem High-Tech-Gewächshaus den jeweiligen Anforderungen entsprechend reguliert werden. Weite Transportwege entfielen, und jede Stadt könnte sich selbst versorgen.
Soweit die Vision.
Eine alte Idee
Als Vater des Vertical-Farming-Gedankens wird häufig Dickson Despommier genannt. Der an der Universität in Columbia tätige Mikrobiologe beschäftigt sich seit den 1990er Jahren mit Ideen, Nutzpflanzen in Hochhäusern anzubauen. In seinem Buch „The Vertical Farm“ aus dem Jahr 2010 fasst er seine Sicht auf die Anforderungen an eine moderne Landwirtschaft zusammen und sieht in der senkrechten Anordnung von Anbauflächen eine Lösung für viele Probleme. „Die Grundidee ist aber eigentlich viel älter und geht auf Othmar Ruthner zurück“, betont Asch. Der Diplom-Ingenieur aus Wien hatte nämlich bereits Mitte der 1960er Jahre ein Patent für sein Turmgewächshaus angemeldet. Die Bayer-Werke in Leverkusen hatten damals sogar einen Prototypen in Betrieb genommen: einen Turm von der Größe eines vierstöckigen Hauses. Eine Art Paternoster transportierte Gemüsepflanzen in Gondeln nach oben und unten. Der Gärtner musste nicht mehr durch die Beete laufen, sondern konnte einzelne Gondeln gezielt zu sich heranfahren lassen. Durch die vertikale Anordnung fanden mehr Pflanzen Platz, als dies in einem klassischen Gemüsegarten gleicher Grundfläche der Fall gewesen wäre.
Heute existiert der Turm nicht mehr, und die Skizzen scheinen bloß noch nostalgische Entwürfe aus alten Zeiten zu sein. Dabei zeigt das Paternosterkonzept durchaus Parallelen zu den Ideen aus Hohenheim. Denn ein Hochhaus bringt, im Vergleich zu klassischen Gewächshäusern, einen entscheidenden Nachteil mit sich: Tageslicht fällt nur auf das oberste Stockwerk und die Seiten des Gebäudes. Die meisten Bereiche liegen im Dunkeln und müssten künstlich beleuchtet werden – ein hoher Kostenfaktor, wenn man mit heutigen technischen Standards arbeitet. „Es muss aber gar nicht Licht in jede Etage kommen, wenn ich den Reis zum Licht bringen kann“, wirft Asch ein. Daher sollen in dem fertigen Prototypen Fließbänder dafür sorgen, dass Reis im Gebäude transportiert und unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt werden kann – je nachdem, was die Pflanze in einem bestimmten Stadium der Entwicklung gerade benötigt. Reis ließe sich dann an 365 Tagen im Jahr ernten. „Das ganze soll vollautomatisch und möglichst energiearm funktionieren“, so Asch. Während der Reisanbau auf dem Feld mit einem hohen Bewässerungsaufwand verbunden ist, möchte Asch einen geschlossenen Wasserkreislauf im Gebäude haben und damit die Ressource Wasser schonen. Nährstoffnebel versorgen die Wurzeln. Das über die Blätter verdunstende Wasser wird aufgefangen und zurückgeführt. Dort, wo der abgegebene Wasserdampf kondensiert, ließe sich sogar ein Teil der freiwerdenden Wärme zurückgewinnen, hoffen die Forscher (siehe auch J. Germer et al., J Verbr Lebensm 2011, 6:23751).
Erste Erfolge
Bevor der erste Spatenstich zum Bau eines Reis-Wolkenkratzers erfolgen kann, ist nicht nur Geld, sondern auch noch etwas Grundlagenforschung notwendig, wobei Asch sich bereits über erste Erfolge seiner Arbeit freuen kann. „Was wir schon wissen, ist, dass wir tatsächlich in der Lage sind, mit Nährstoffnebeln den Reis bis zur Reife zu bekommen“, verkündet er. Das war keinesfalls selbstverständlich, als in Hohenheim vor einigen Jahren die ersten Ansätze hierzu diskutiert wurden. Momentan beschäftigt ihn die Frage nach der optimalen Lichtmenge, die Reis benötigt. Denn anstatt diesen unter weißem Neonlicht wachsen zu lassen, setzen Asch und seine Kollegen auf die energiesparende LED-Technik. Dabei will man die Lichtmenge optimieren, indem man zum einen klärt, welche Wellenlängen der Reis verwertet, und zum anderen schaut, aus welchen Richtungen die Pflanzen beleuchtet werden müssen, um am besten zu gedeihen.
Offen ist die Frage, wie genau der Reis durch das Gebäude transportiert werden kann. Denn ein Paternoster-System wie Ruthner es für sein Turmgewächshaus entworfen hatte, wäre für ein Reis-Hochhaus sicher nicht zweckmäßig. „Es gibt Transportbänder für alles mögliche, aber kaum etwas, das darauf abzielt, Pflanzen zu bewegen“, so Asch.
Essbare Städte
Doch muss es gleich ganz hoch hinausgehen? Lässt sich der urbane Raum nicht auch heute schon für landwirtschaftlichen Anbau nutzen? Tatsächlich gibt es hierfür einige Beispiele. An der Trent University im kanadischen Peterborough, Ontario werden Dächer zum Gemüseanbau genutzt. Die Ernten aus dem Rooftop-Garten werden in einem Café auf dem Campus angeboten. Eine andere Idee entstand 2008 im englischen Todmorden: die essbare Stadt. Bürger starteten dort eine Initiative, städtische Grünflächen für den Anbau von Gemüse umzugestalten. Jeder darf dort für den Eigenbedarf ernten. 2010 wurde Andernach dann zur ersten essbaren Stadt Deutschlands.
„Statt ‚Betreten verboten’ heißt es ‚Pflücken erlaubt’“, erläutert Diplom-Geoökologe Lutz Kosack die Philosophie. Er ist bei der Stadtverwaltung Andernach in Naturschutz und Landschaftspflege tätig und kümmert sich auch um öffentliche Grünanlagen. Tomaten, Bohnen, Zwiebeln und sogar Früchte wie Kakis oder Feigen wurden hier in den letzten drei Jahren angebaut. Gepflegt werden die Gärten von Langzeitarbeitslosen, pflücken darf jeder. „Letztes Jahr haben Busunternehmer sogar Fahrten nach Andernach organisiert, was für das Renommee unserer Stadt natürlich gut ist“, berichtet Kosack. Die Stadt als Supermarkt ohne Kasse. Da drängt sich die Frage auf, wie verantwortungsvoll die Bürger mit solch einem Gut umgehen. Wird man sich um die letzten Tomaten streiten? Gibt es Leute, die mehr wegnehmen, als sie wirklich brauchen? Und wie sieht es mit Vandalismus aus? Kosack kennt all diese Bedenken, denn gerade zu Beginn des Projekts gab es Kritiker, die aus oben genannten Gründen Zweifel an der Machbarkeit angemeldet hatten. Doch der befürchtete Vandalismus blieb aus, die Anbaugärten in der Stadt wurden vielmehr zu einer Begegnungsstädte zwischen Jung und Alt und verschiedenen Kulturen. „An den Beeten finden Diskussionen statt und es werden Rezepte ausgetauscht“, freut sich Kosack und ergänzt: „Gebe dem Bürger etwas Hochwertiges, und er geht hochwertig damit um.“
Und was sagen die Gemüsehändler und Bauern in der Region dazu, dass die Stadt Andernach ihren Bürgern kostenlos anbietet, wofür sie selbst hart arbeiten, um ihren Lebensunterhalt zu bestreiten? Ist da der Unmut nicht vorprogrammiert? Im Gegenteil, wie Kosack erleben durfte: Offenbar weckt die essbare Stadt bei einigen Menschen erst das Interesse für Produkte aus der Region und wirkt sich daher eher positiv auf die Nachfrage aus. „Die Händler sagen, dass jetzt viel mehr über Gemüse diskutiert wird und die Umsätze in Ordnung sind.“ Eine echte Konkurrenz sei man zudem gar nicht, betont Kosack, denn was in den Grünflächen der Stadt wächst, reiche nicht aus, um 30.000 Einwohner zu versorgen. Der soziale Aspekt und die ökopädagogische Bedeutung seien die eigentlichen Stärken dieses Projekts. „Viele Kinder wissen ja gar nicht mehr, wie Gurken wachsen“, meint Kosack, „und Langzeitarbeitslose bringen wir in eine sinnstiftende Arbeit. Die machen hier die Erfahrung, dass ihre Arbeit wertgeschätzt wird.“
Jetzt sind auch andere Städte neugierig und wollen Unterstützung aus Rheinland-Pfalz. „Städte wie München, Frankfurt, Berlin, Hamburg und Wien wollen unsere Stadtratvorlagen und Kostenschätzungen haben“, freut sich Kosack – jedoch: „Wir haben keine Stadtratvorlagen.“ Er rät den Kollegen zu unbürokratischen Wegen: „Das einzige, was Ihr braucht, ist ein bisschen Mut und Kreativität.“
Aquaponik für Tomatenfische
Ob umfunktionierte Grünanlagen oder Gärten auf Dächern – vorhandene Flächen in der Stadt zum Anbau von Gemüse zu nutzen, ist sicher eine sinnvolle Ergänzung zur klassischen Landwirtschaft. Aber die Probleme der Welternährung lassen sich damit alleine nicht lösen. Um auf engstem Raum in Städten maximale Erträge zu erzielen und wirtschaftlich anbauen zu können, kann man sich nicht auf Beete unter freiem Himmel verlassen. Hochspezialisierte Gewächshäuser, die gleichbleibende Bedingungen sicherstellen, versprechen da schon mehr. Auch wenn dabei eine Menge Technik benutzt wird, kann man trotzdem auf natürliche Kreisläufe zurückgreifen. Genau das macht die Arbeitsgruppe um Werner Kloas am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei in Berlin (IGB). In seiner Abteilung „Ökophysiologie und Aquakultur“ läuft das Projekt „Tomatenfisch“ (http://www.tomatenfisch.igb-berlin.de). Wie der Name erahnen lässt, werden hier Fische und Tomaten unter einem Dach gehalten und herangezogen. Dabei treffen zwei Prinzipien zusammen: Die Aquakultur, bei der es um die Haltung aquatischer Organismen geht, und die Hydroponik, bei der Pflanzen nur noch über wässrige Nährstofflösungen versorgt werden. Die Vereinigung beider Prinzipien wird daher Aquaponik genannt.
Die Grundidee ist nicht neu: Fische scheiden Phosphat und Ammonium als Stoffwechselprodukte aus. Wandelt man in Biofiltern das für die Tiere toxische Ammonium in Nitrat um, wird aus dem Fisch-wasser ein fast idealer Pflanzendünger, den man zum Bewässern nutzen könnte. So liegt es nahe, Fischzucht und Gemüseanbau zu kombinieren, um die Pflanzen auf einfachem Wege mit Phosphat und Nitrat versorgen zu können. Doch ganz perfekt greifen beide Systeme dann doch nicht ineinander, denn während Süßwasserfische bei einem neutralen pH-Wert um die 7 glücklich sind, lieben es Pflanzen ein wenig saurer und wachsen besser bei einem pH-Wert von 6. Man müsste also nach einem Kompromiss suchen und einen pH-Wert irgendwo dazwischen einstellen. „In so einem Kreislaufsystem werden weder die Fische noch die Pflanzen richtig glücklich“, so Kloas und vermutet, dass sich die Aquaponik aus diesem Grund in den letzten 50 Jahren noch nicht wirklich durchgesetzt habe. Zumal auch die Biofilter damals weniger effizient waren.
Die Tomatenfisch-Anlage verfügt über einen geschlossenen Wasserkreislauf für die Fische – Buntbarsche der Gattung Oreochromis. Durch ein Einwegventil wird Wasser herausgenommen und für die Bewässerung der Tomaten in einem Vorratstank aufbereitet. Diese bekommen dann eine optimale Nährlösung mit dem richtigen pH-Wert. Wasser, das über die Blätter der Pflanzen verdunstet wird, fängt die Klimaanlage auf und führt es zurück in den Fischkreislauf. Gerade für die Klimatisierung der Anlage entstehen Energiekosten, die man auf einem Acker nicht hätte. Doch Kloas weist darauf hin, dass man in einem Gewächshaus im Vergleich zum Freilandanbau die fünf- bis zehnfache Produktivität habe.
„Der Vorteil unseres Systems ist außerdem, dass wir eine Hülle für zwei verschiedene Produkte nutzen“, ergänzt er und verweist am Beispiel der Tomate auch auf die ökologischen Folgen, die mit klassischem Gemüseanbau verbunden sind: „Im Hauptanbaugebiet rund um die spanische Stadt Almeria brauchen Sie 184 Liter Wasser pro Kilogramm Tomate.“ Der Wasserverbrauch führt zum Sinken des Grundwasserspiegels. Aufgrund der Nähe zum Meer wird dadurch nach und nach Salzwasser nachgezogen. „In zehn Jahren kann man dort gar nichts mehr anbauen“, prognostiziert Kloas.
Das Aquaponik-System der Berliner kommt hingegen mit rund 30 Litern Wasser pro Kilogramm Tomate aus. Außerdem sei die Anlage weitgehend CO2-neutral, denn von den Fischen abgegebenes Kohlendioxid werde von den Tomaten wieder fixiert.
Reif für den Markt
Das technische Verfahren, das im Tomatenfisch-Projekt eingesetzt wird, nennen die Entwickler ASTAF-Pro (Aquaponik-System zur emissionsfreien Tomaten- und Fisch-Produktion) – Kloas ist zuversichtlich, dass sich damit auch Geld verdienen lässt. „Wir probieren hier nicht einfach ein bisschen rum“, stellt er klar, „die Grundlagen sind gelegt, das System funktioniert, man kann es umsetzen.“ Und genau das hat die Berliner Firma „Efficient City Farming“ (ECF) für die nahe Zukunft vor. „Die haben ASTAF-Pro jetzt in Lizenz für den urbanen Raum“, so Kloas. Einen Prototypen präsentierte das Unternehmen bereits 2011. Zwischen 2014 und 2018, teilte ECF mit, wolle man insgesamt 47 Aquaponik-Farmen bauen und strebe sogar einen Exklusivvertrag mit einer Einzelhandelskette an.
Künftig sollen auch Landwirte für die Entwicklung aus dem IGB begeistert werden, ergänzt Kloas. Falls sich die Aquaponik als Alternative zur klassischen Landwirtschaft durchsetzt, hätte das auch eine Umstellung der Ernährungsgewohnheiten zur Folge – für Kloas ohnehin ein Muss. So fällt im Vergleich zu Fischen bei der Produktion derselben Menge Fleisch bei Rindern der zehnfache CO2-Ausstoß an. „Fisch ist das mit Abstand am nachhaltigsten erzeugbare tierische Nahrungsmittel“, stellt er fest und ist sich sicher, dass auf lange Sicht Hühner-, Schweine- und Rinderzucht mehr und mehr durch Fischproduktion abgelöst wird.
In der Aquaponik ist man nicht auf Tomatenanbau beschränkt. Kloas betont, dass im Prinzip alle Hydroponik-tauglichen Pflanzen mit Warmwasserfischen zusammengebracht werden können, darunter Basilikum, Kohlrabi, Gurke oder Paprika. Bis es Wolkenkratzer zum Gemüseanbau in den Städten gibt, werde es allerdings noch einige Zeit dauern. „Die nahe Zukunft wird eher sein, dass man sich auf die Peripherie der Städte oder die Nachbarschaft von Biogasanlagen konzentriert.“
Aquaponik im ganz großen Maßstab betreibt die US-amerikanische Firma FarmedHere. In Chicago ging dieses Jahr eine kommerzielle Anlage in Betrieb, die ein ehemaliges Warenhaus in eine Vertical Farm umgebaut hat; auf einer Innenfläche von fast 14.000 Quadratmetern werden Speisefische und diverse Salate gezüchtet. Zugegeben, mit nur zwei Stockwerken bleibt hier im wahrsten Sinne des Wortes noch Luft nach oben.
Eher in Richtung einer Skyfarm gingen da schon die Planungen für den Deltapark in den Niederlanden: Auf vier Stockwerken sollten in Rotterdam in einer ein Kilometer langen Anlage nicht nur Fisch und Gemüse produziert, sondern auch Schweine und Hühner gehalten werden. Die Pläne stammen vom Beginn dieses Jahrtausends, wurden aber niemals umgesetzt. Nicht zuletzt die Proteste der Bevölkerung gegen eine fabrikartige Anlage, in der 300.000 Schweine und mehr als eine Millionen Hühner untergebracht worden wären, brachten das Projekt ins Wanken. (Siehe auch Laborjournal online-Interview „Rotterdamer Großbauern“ vom 2. September 2013.)
Im schwedischen Linköping hingegen soll ein fünfzig Meter hohes, kegelförmiges Hochhaus für den Gemüseanbau bald Realität werden. Baubeginn ist für 2014 geplant, 2015 soll die Anlage dann starten und erste Erträge bringen. Die Abwärme einer nahe gelegenen Biogasanlage wird als Energiequelle genutzt, und umgekehrt bekommt das Kraftwerk organisches Material, das in der Farm anfällt.
Innovation nicht ausbremsen
Ob sich Skyfarmen in der Stadt aber wirklich rentieren, muss die Zukunft zeigen. Pessimistische Schätzungen gehen davon aus, dass ein Kilogramm Biomasse, das in einem Hochhaus produziert wird, 10 bis 12 Euro kosten könnte und damit nicht annähernd rentabel wäre. „Solche Zahlen sind völlig aus der Luft gegriffen“, ärgert sich Asch. Es gebe keine Erfahrungswerte, an denen man sich orientieren könne. „Wie viel Fläche, Transportkosten und Ressourcen spar ich ein? Das ist alles nicht drin in diesen Rechnungen.“ Ein weiterer Fehler sei, dass man mit dem heutigen Stand der Technik Zahlen hochrechne. Es gehe aber auch darum, bestehende technische Verfahren zu optimieren und auf einen minimalen Energieverbrauch hin zu trimmen. Zudem müsse man den Bau eines vertikalen Gewächshauses ohnehin ganz anders planen, als ein Hochhaus, in dem Menschen wohnen sollen.
Für Asch geht es derzeit nicht primär darum, eine wirtschaftliche Skyfarm aus dem Boden zu stampfen, sondern überhaupt erstmal herauszufinden, was machbar ist und was nicht. Dabei könnte ein Prototyp hilfreich sein, selbst wenn dieser erstmal keine Gewinne abwirft. „Wenn wir irgendwann mal vor dem Problem stehen, dass Grundnahrungsmittel in den Städten produziert werden, dann müssen wir wissen, wie das geht“, so Asch. „Eine Skyfarm ist eine Möglichkeit, das zu tun. Und wenn wir herausfinden, dass es sich nicht rechnet, dann muss man es eben lassen.“
Auch wenn Reis in Hochhäusern vielleicht niemals hierzulande konkurrenzfähig sein wird, so könnte sich gerade im asiatischen Raum schon in naher Zukunft ein Markt dafür auftun. „Und wenn man in Deutschland Know-how entwickeln will, das man auch in andere Länder verkaufen kann, dann ist so eine Skyfarm durchaus ein guter Aufhänger“, ist Asch sicher.
Es macht wohl Sinn, Wolkenkratzer-Konzepten, die ganze Stadtbilder verändern, mit einer gesunden Skepsis zu begegnen. Doch sollte man nicht den Fehler machen, gleich zu Beginn aufzugeben. Selbst wenn sich Vertical Farming in seiner Extremform niemals durchsetzt – vielleicht lernen wir trotzdem wertvolle Dinge über Pflanzenanbau.
Manchmal ist eben doch der Weg das Ziel.
Mario Rembold
(Startfoto: peshkova/Fotolia und Helgi/photocase; Montage: Lara Winckler)
(Der Artikel erschien gedruckt in der aktuellen Laborjournal-Ausgabe 9/2013 auf den Seiten 30-35)