Wenn Kühe auf Roboter treffen

Die Geschichte einer höheren landwirtschaftlichen Bildungsanstalt reicht zurück bis in die Mitte des vergangenen 19. Jahrhunderts. Vor allem die landwirtschaftlichen Verbände setzten sich für eine landwirtschaftliche Disziplin am Polytechnikum ein. Bereits 1860 und 1863 hatten sich die Société jurassienne d'émulation, der Landwirtschaftliche Zentralverein und der Verein schweizerischer Landwirte mit Petitionen an den Bundesrat gewandt. Ein Jahr später stellte auch der Schweizerische Landwirtschaftliche Verein ein Gesuch an die Bundesversammlung. Es sollte noch sieben weitere Jahre dauern, bis im Jahr 1871 die forstliche Abteilung des Polytechnikums zu einer land- und forstwirtschaftlichen Abteilung erweitert wurde.

Bald wurden die ersten drei Professoren berufen: Adolf Kraemer für Viehzucht, Anton Nowacki für Acker- und Pflanzenbau und Kraemers späterer Schwiegersohn Ernst Schulze für Agrochemie. Während im Ausland, besonders in Deutschland, die Agrarwissenschaften schon ihren festen Platz an den Universitäten hatten, wurde in der Schweiz bis anhin vor allem Erfahrungswissen vermittelt. Dies sollte sich nun ändern.

Der Stellenwert der landwirtschaftlichen Abteilung war von Anfang an hoch. So bekam die neue Disziplin zwölf Prozent der damaligen Budgetmittel der ETH zugesprochen.

1871 nahmen fünf Studierende das zunächst zwei Jahre dauernde Studium der «Landwirtschaftswissenschaften» auf, wovon vier das Studium abschlossen: Tommaso Galanti aus Venedig, Pietro Masetti aus Florenz, Gilbrecht von Löw aus Florstadt (Hessen) und Joseph Frey aus Oberehrendingen im Kanton Aargau. Was genau sollten sie aus dem Studium mitnehmen? In der «Schweizerischen Landwirtschaftlichen Zeitung» schreibt Professor Kraemer eine Abhandlung über die neue «Landwirthschaftliche Schule des eidgenössischen Polytechnicums zu Zürich».

«Dieses Ziel kann (…) kein anderes sein, als durch eine wissenschaftlich gründliche Behandlung des Lehrstoffes das Beobachtungs- und Urtheils-Vermögen der Schüler zu entwickeln und sie (…) zu befähigen, die Erscheinungen in ihrem Berufe von höheren Gesichtspunkten aufzufassen, um die Betrachtung derselben auf eine gediegene, von Unklarheiten und Unsicherheiten freie Erkenntnis zu stützen und in der Verwerthung, in der Anwendung des Ergebnisses des Wissens auf das praktische Leben die erforderliche Selbstständigkeit zu erringen.»

Heute sind rund 320 Studierende im Studiengang Agrarwissenschaften eingeschrieben. Warum studieren sie Agrarwissenschaften? Zwei Professorinnen und ein Doktorand erklären, was sie an den Agrarwissenschaften an der ETH fasziniert.

Hunger, Fehlernährung, Umweltzerstörung und Klimawandel gehören zu den drängendsten Themen der letzten Jahrzehnte. Die ETH-Ausbildung in den Agrar- und Lebensmittelwissenschaften trägt dazu bei, diese Fragen fundiert anzugehen. «Wir halten es für selbstverständlich, dass Ackerbau betrieben und Nahrung produziert wird. Natürlich wissen wir, wie das am besten geht. Doch Nahrungsmittel herzustellen ist eine komplexe Angelegenheit», bestätigt auch Achim Walter, Professor für Kulturpflanzenwissenschaften und ehemaliger Studiendirektor der Agrarwissenschaften. «Jede Form von Produktion, jede Ernte, ja jedes Sammeln hat Konsequenzen und Nebenwirkungen, deren wir uns oft erst Jahre oder sogar Generationen später bewusst werden.» Die Agrarwissenschaften denken in die Zukunft, betont auch Nina Buchmann, Professorin für Graslandwissenschaften.

Tauchen Sie ein in die reiche Geschichte dieser vielfältigen Disziplin, schauen Sie unseren Jubiläumsfilm und bleiben Sie informiert über die kommenden Events unter agri150.ethz.ch.

In der Vergangenheit befassten sich die Agrarwissenschaften vor allem mit der Intensivierung der Nahrungsmittelproduktion. Heute stehen Fragen der nachhaltigen Bewirtschaftung im Zentrum. Wie Nachhaltigkeit in Forschung und Lehre in den Agrarwissenschaften an der ETH Zürich umgesetzt wird, zeigen folgende Beispiele.

Alle reden von Artenvielfalt. Wie ist es im Futterbau, kann sich Biodiversität dort auch wirtschaftlich lohnen? Diese Frage untersuchte die Gruppe Graslandwissenschaften zusammen mit der Gruppe Agrarökonomie und -politik und Agroscope im interdisziplinären Forschungsprojekt «DiversGrass». «Biodiversität im Grasland, das heisst im Futterbau, ist ein Produktionsfaktor», betont Nina Buchmann, Professorin für Graslandwissenschaften. «Wir konnten zeigen, dass mit erhöhter Biodiversität die Erträge steigen und sie vor allem stabiler sind gegenüber Umwelteinflüssen – und dass sich das für den Betrieb auch rechnet». Buchmann geht davon aus, dass sich mehr Biodiversität auch im Ackerbau und im Agroforst auszahlt.

Mit Mischkulturen für die Landwirtschaft arbeiten Christian Schöb und sein Team. Auf Versuchsfeldern in der Schweiz und im Süden Spaniens säten die Forschenden zwei oder gleich vier Pflanzenarten direkt nebeneinander aus. Ein Zukunftsszenario für die Landwirtschaft in trockenerer und wärmerer Umgebung? Das Team stellte fest: Mischkulturen waren in beiden Fällen ertragreicher als Ackerbau-Monokulturen. Bei Mischungen mit zwei Arten stieg der Ertrag verglichen mit der Monokultur um 3 Prozent in Spanien und um 21 Prozent in der Schweiz. Wurden vier Arten nebeneinander gesät, lag der Ertrag in Spanien sogar um 13 Prozent und in der Schweiz um 44 Prozent höher. Die Forschenden vermuten, dass durch den Anbau verschiedener Arten die Ressourcen auf den Feldern besser genutzt werden und die natürliche Schädlingskontrolle besser funktioniert.

Wenn sie frisst, denkt sich die Kuh sicherlich nichts Böses. Und doch trägt sie mit ihrer Verdauung zum Klimawandel bei. Vor allem das bei der Verdauung entstehende Methan ist dabei problematisch. Es ist ein Treibhausgas, zwar kurzlebiger als Kohlendioxid, aber rund 28-mal wirkungsvoller für den Treibhauseffekt. Etwa 300 Liter Methan stösst eine Kuh täglich aus. Damit belastet sie die Treibhausgasbilanz der Landwirtschaft. Weltweit suchen Forschende daher nach Abhilfe. Sie wollen Kühe klimafreundlicher machen und damit jedes Stück Käse, Butter oder Rinderbraten, das auf den Tisch kommt.

Der Ursprung des Methans findet sich im Pansen, mit 150 Litern Inhalt der grösste von vier Mägen eines Rindes. Gras, Heu oder Silage: Das Futter gelangt zuerst in den Pansen. Dort wird es von den darin lebenden Mikroorganismen zersetzt. Beim Abbau der Fasern entsteht als Zwischenprodukt unter anderem Wasserstoff, der von Ur-Mikroben, den Archaeen, «gefressen» wird. Gut fürs Rind, denn zu viel Wasserstoff behindert die Verdauung. Schlecht fürs Klima, denn die Archaeen erzeugen Methan. Das entweicht, meist als Rülpser aus dem Maul. Die Gruppe Tierernährung von der ETH Zürich hat daher verschiedene Futterzusätze getestet, die diesen Effekt verringern können.

Weg vom Denken in Einzelmassnahmen, hin zum Systemdenken. Die Agrarwissenschaften haben sich mit anderen Disziplinen vernetzt, unter anderem mit den Sozial- und den Umweltwissenschaften. Dieser Ansatz fliesst nun noch stärker in die Lehre ein. Entstanden ist auch eine neue Lehrveranstaltung, die im Herbst 2021 zum ersten Mal angeboten wurde. Im Kurs «Agroecology and the Transition to Sustainable Food Systems» sollen die Studierenden die wichtigsten Eigenschaften sowie Vorteile und Nachteile agrarökologischer Systeme und Ansätze kritisch reflektieren.

Der Kurs orientiert sich an den zehn Elementen der Agrarökologie, die von der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) definiert wurden. Diese Elemente helfen Politikerinnen, Praktikern und anderen Akteurinnen im Ernährungssystem bei der Planung, dem Management und der Bewertung agrarökologischer Übergänge zu nachhaltigen Ernährungssystemen. Die Lehrveranstaltung ist öffentlich zugänglich. Interessierte Gäste sind eingeladen, sich an einer lebendigen und kritischen Debatte zu beteiligen.

Produktion, Verarbeitung und Verteilung von Nahrungsmitteln sind ressourcen- und energieintensiv. Während der Klimawandel die globale Ernährungssicherheit zusätzlich gefährdet, wächst der Bedarf an gesunder, nachhaltiger Nahrung. Um neue disziplinübergreifende und lösungsorientierte Forschung zu unterstützen, die sich mit diesen Herausforderungen befasst, wurde 2011 das ETH-Kompetenzzentrum World Food System Center gegründet. Dieses fördert die Forschung und Ausbildung sowie den öffentlichen Diskurs zu Fragen des Ernährungssystems und der globalen Ernährungssicherheit.

Nachhaltige Lösungen für die Herausforderungen unseres Ernährungssystems können nur entstehen, wenn Akteurinnen und Akteure – lokal bis global – zusammenarbeiten. Diese Überzeugung, gepaart mit dem damals neu definierten strategischen Schwerpunkt «Ernährungssystem» an der ETH Zürich, führte 2011 zur Gründung des World Food System Center. Seit Beginn bilden Forschung, Ausbildung, Öffentlichkeitsarbeit und Dialog den Kern der Arbeit des Zentrums.

Von anfangs 20 ETH-Professuren und einer Geschäftsführerin ist das World Food System Center inzwischen auf 49 Forschungsgruppen aus sieben verschiedenen Departementen der ETH Zürich, der Eawag und der Empa sowie eine Geschäftsstelle mit mehreren Mitarbeitenden angewachsen. Es fungiert als Bindeglied zwischen diesen unterschiedlichen Gruppen und verbindet die Agrarwissenschaften mit den Lebensmittelwissenschaften, den Wasserwissenschaften, der Biologie und den Materialwissenschaften.

«Das World Food System Center stützt seine Arbeit auf die Überzeugung, dass nur eine systemische Herangehensweise den Aufbau nachhaltiger und widerstandsfähiger Ernährungssysteme ermöglicht, um somit die Ernährungssicherheit langfristig zu gewährleisten», sagt Robert Finger, seit 2021 Leiter des Zentrums. «Ein Ernährungssystem-Ansatz ist jedoch nur dann erfolgreich, wenn Expertinnen und Experten aus verschiedenen Bereichen ihre unterschiedlichen Erfahrungen und Kompetenzen zusammenbringen, um gemeinsam geeignete Interventionen zu entwickeln.»

Das Kompetenzzentrum möchte neue wissenschaftliche Erkenntnisse generieren, die im realen Umfeld Wirkung zeigen. In grossen Flaggschiff-Projekten bündelt das Zentrum gezielt Forschung zu besonders dringenden Fragestellungen wie alternativen Proteinquellen oder resilienten Ernährungssystemen. In allen Projekten spielt die Zusammenarbeit mit Partnerinnen und Partnern aus Forschung und Praxis eine entscheidende Rolle.

Ein weiteres wichtiges Anliegen ist die Ausbildung der zukünftigen Generation der Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger. Seit seiner Gründung organisiert das Zentrum die World Food System Summer School. In einem zweiwöchigen Intensivkurs erhalten junge Studierende und Berufstätige aus der ganzen Welt Einblick in unterschiedlichste Bereiche des Ernährungssystems und erarbeiten sich eine Basis, die es ihnen ermöglicht, später an den Lösungen für ein nachhaltiges Ernährungssystem mitzuarbeiten oder diese gar zu entwerfen.

Das Zentrum beteiligt sich aber auch an der Lehre der ETH Zürich, zum Beispiel mit einem Kurs an der FAO in Rom oder der neuen Vorlesungsreihe «Agroecology and the Transition to Sustainable Food Systems». Mit dem Angebot von Kurzkursen für Berufsleute aus dem Ernährungsbereich unterstreicht das WFSC seine praxisorientierte Ausrichtung. Wichtig ist bei all diesen Angeboten der Blick auf das grosse Ganze, die Interdisziplinarität und der Einbezug der Praxis (Transdisziplinarität).

Die Arbeit des Zentrums soll auch das breite Publikum erreichen und ein Bewusstsein für die Herausforderungen im Welternährungssystem und für Lösungsansätze schaffen. Daher engagiert sich das World Food System Center stark in der Öffentlichkeitsarbeit und im Dialog, z. B. mit dem YouTube-Channel. Seit seiner Gründung vor zehn Jahren hat das Zentrum verschiedenste Veranstaltungen (mit-)organisiert oder sich an grösseren nationalen oder internationalen Anlässen eingebracht. Um möglichst viele Menschen anzusprechen, kommen unterschiedliche Formate zum Einsatz – von den eher klassischen Vorträgen oder Diskussionsrunden über Ausstellungen bis hin zu Kurzfilmen.

Landdegradation und Wasserknappheit sowie Misswirtschaft schwächen in vielen Regionen der Welt die landwirtschaftliche Produktion. Der Klimawandel schafft dabei zusätzliche Herausforderungen. Wie kann die weltweite Versorgung verbessert werden? Schon Friedrich Traugott Wahlen war der Kampf gegen Hunger und Unterernährung ein wichtiges Anliegen. Mit der Gründung des «Diensts für technische Zusammenarbeit zur finanziellen und technischen Unterstützung der Dritten Welt» schuf er den Grundstein zur heutigen Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit DEZA.

Die Verbindung zwischen der ETH Zürich und der Entwicklungszusammenarbeit beginnt bei Friedrich Traugott Wahlen. Der ehemalige Pflanzenbau-Professor hatte schon kurz nach dem Zweiten Weltkrieg dargelegt, dass übergrosse Unterschiede zwischen den Völkern aus ethischen, sozialen und politischen Gründen nicht tragbar seien. In den Nachkriegsjahren koordinierte die ETH zunächst die internationale Entwicklungszusammenarbeit für die Schweiz und stellte auch die meisten Fachspezialisten. Dies war mitunter Wahlens Verdienst; nicht umsonst war er ab 1949 Direktor der Food and Agriculture Organization FAO. Als Bundesrat setzte sich Friedrich Traugott Wahlen ab 1959 für die Gründung der Europäischen Freihandelsassoziation EFTA und die Mitwirkung der Schweiz in dieser Organisation ein. Er votierte 1962 für den Vollbeitritt der Schweiz in den Europarat und schuf 1961 den Dienst für technische Zusammenarbeit zur finanziellen und technischen Unterstützung der Dritten Welt. Damit legte er den Grundstein für die heutige Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit DEZA.

Es sollte noch weitere zehn Jahre dauern, bis der erste Professor für Entwicklungszusammenarbeit an die ETH Zürich berufen wurde. Marc R. Bachmann war von 1971 bis 1977 ausserordentlicher Professor für Milchwirtschaftslehre und Entwicklungszusammenarbeit, 1977-1990 Ordinarius für das gleiche Lehrgebiet. Er betreute diverse Entwicklungsprojekte und war unter anderem technischer Berater der Weltbank. Seine Forschungsschwerpunkte waren die Förderung der Nahrungsmittelproduktion in Entwicklungsländern sowie die gewerbliche Käseherstellung in der Schweiz.

Ebenfalls mit Entwicklungszusammenarbeit befasste sich Martin Menzi. Der Agrarwissenschaftler hielt sowohl Vorlesungen an der Abteilung für Landwirtschaft, als auch an der Abteilung für Geistes- und Sozialwissenschaften. Seine Professur mit dem etwas sonderbaren Namen «Tierproduktion und Probleme der Entwicklungsländer» war jedoch der Abteilung XII (Geistes- und Sozialwissenschaften) angegliedert, wo er auch von 1981 bis 1991 den Nachdiplomstudiengang für Entwicklungsländer (NADEL) an der ETH leitete.

Martin Menzi hatte an der ETH Agrarwissenschaften studiert und über ein Thema der Geflügelzucht doktoriert. Seine Laufbahn führte ihn deshalb zunächst an die Schweizerische Geflügelzuchtschule in Zollikofen (heute Aviforum). 1968 entsandte ihn die Schweizer Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit (DEZA, damals Dienst für technische Zusammenarbeit) mit seiner Familie nach Indien, wo er ein Projekt für Viehzucht, Futterbau und Milchwirtschaft koordinierte. Zurück in der Schweiz, arbeitete Martin Menzi 1977 als wissenschaftlicher Adjunkt bei der DEZA in Bern. Gleichzeitig übernahm er Aufgaben im Vorstand der Helvetas und ab 1982 die Leitung. Im Auftrag der DEZA und von Helvetas war Martin Menzi schliesslich oft in Bhutan unterwegs. Dort beriet er die Regierung vorwiegend in Fragen zur Viehzucht, Milchwirtschaft und ländlicher Entwicklung, später half er beim Aufbau der heutigen «green faculty» der Universität Bhutan.

Die Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit DEZA ist zuständig für die Gesamtkoordination der Entwicklungs- und Ostzusammenarbeit mit anderen Bundesämtern sowie für die humanitäre Hilfe des Bundes. Zum Thema Landwirtschaft und Ernährungssicherheit sind aktuell rund 160 Projekte in Arbeit, weitere sind geplant. Die Verbindung zwischen der DEZA und der ETH besteht noch heute ganz konkret: So hat nicht nur Thomas Gass, Vizedirektor der DEZA, an der ETH Agrarwissenschaften studiert, auch Patrizia Danzi, die Direktorin der DEZA, studierte in Lincoln, Nebraska und Zürich und schloss mit einem Master in Geografie sowie Agrar- und Umweltwissenschaften ab. Über die globale Agrarforschungsgruppe CGIAR (Consultative Group on International Agricultural Research) unterstützt die DEZA auch heute noch vielfältige Forschungsprojekte, an denen unter anderem die ETH beteiligt ist.

Landwirtschaft soll effizienter, umweltfreundlicher und nachhaltiger werden. Um diesem Ziel näher zu kommen, treiben verschiedene Gruppen des Instituts für Agrarwissenschaften die Entwicklung moderner Technologien voran. So wurden bereits verschiedene Jät- und Melkroboter am Institut mitentwickelt. Stefano Mintchev, Professor für Umweltrobotik an der ETH Zürich, geht auf diesem Weg noch einen Schritt weiter: Seine Drohnen sollen sich beispielsweise auch in scheinbar undurchdringlichen Baumkronen bewegen können.

Das fliegende Objekt gibt einen leisen Summton von sich. Elegant erhebt es sich in die Lüfte, fliegt in einen Baum und macht auf einem der zahlreichen Äste Halt. Eine Mischung aus Modellflugzeug und Science-Fiction? Im Projekt CYbER (CanopY Exploration Robots) entwickelt die Gruppe Umweltrobotik der ETH Zürich halbautonome, multimodale Roboter. Diese sammeln Bilder und biologische Proben und werden zurzeit vor allem im Forstbereich getestet. Doch in Zukunft sollen die fussballgrossen Flugobjekte auch in der Landwirtschaft eingesetzt werden. So könnten die Drohnen zum Beispiel an Obstbäumen Proben sammeln. Oder Blüten zählen, um den Ertrag vorherzusagen, oder Sensoren und Kameras könnten Schädlinge und Krankheiten in dichten Pflanzenbeständen erkennen. Zu diesem Zweck hat die Gruppe Umweltrobotik zum Beispiel die Drohne «Hedgehog» entwickelt.

Mintchevs Drohnen sind stark von der Natur inspiriert. Wie Bienen, die beim Landeanflug zum Bienenhaus zusammenprallen und trotzdem weiterfliegen, müssen die Objekte Kollisionen aushalten können. Die Bienenflügel sind dünn, aber trotzdem sehr stabil, durch Einschlüsse von weichen Proteinverbindungen bleiben sie beweglich. Bei der Drohnen-Konstruktion nahm sich Mintchevs Gruppe genau diese Eigenschaften zum Vorbild. «Bioinspired dual-stiffness origami» nennt Mintchev das Prinzip, und arbeitete für seine Drohen mit einer vorgedehnten Elastomermembran, die zwischen starren Platten liegt. Ähnlich wie ein Origamiobjekt kann sich die Drohne bei einem Aufprall zusammenfalten und nachgeben, um dauerhafte Schäden zu vermeiden.

Wie ein Greifvogel, der sich mit hoher Geschwindigkeit durch dichtes Geäst bewegt, soll sich auch eine Drohne im Dickicht einer Baumkrone zurechtfinden. Für die Erkundung von engen Zwischenräumen entwickelte die Gruppe Umweltrobotik eine weiche Drohne, die ihre Form den Gegebenheiten situativ anpasst.

Wälder bedecken etwa einen Drittel der Erdoberfläche. Für die Artenvielfalt, die Klimaregulierung und das ökologische Gleichgewicht sind sie enorm wichtig. Sie zu erforschen war allerdings bislang nicht leicht: Bäume können bis zu 60 Meter hoch werden, und ihr Blätterdach sowie das komplizierte Netzwerk von Ästen machen sie schwer zugänglich. Aus diesem Grund flogen Drohnen bisher über die Vegetation hinweg statt in die Vegetation hinein.

Dies möchte Stefano Mintchev ändern. Der 35-jährige Italiener studierte Maschinenbau in Pisa und doktorierte auf dem Gebiet der Biorobotik. «Der Schritt von herkömmlichen Drohnen zu unseren Drohnen, die innerhalb der Vegetation fliegen, erlaubt uns eine ganz neue Perspektive», ist Mintchev überzeugt.

Über den möglichen Einsatz von Drohnen und Robotern in der Landwirtschaft forscht auch die Gruppe Kulturpflanzenwissenschaften in Lindau-Eschikon im Kanton Zürich. Hier werden unter anderem neue Maschinen für die Landwirtschaft der Zukunft geplant, entwickelt und getestet. Die Forschenden arbeiten zum Beispiel mit modernster Kameratechnologie, um den Zustand eines Weizenfelds genau zu untersuchen. Oder sie trainieren einen von einer Drohne autonom gesteuerten Roboter, damit er schadhafte Pflanzen genauer beobachtet, bei Bedarf gezielt Pestizide ausbringt oder Unkraut jätet – und zwar nur dort, wo dies nötig ist.

Wird in Zukunft also ein Roboter die Feldarbeit übernehmen? «Ganz so einfach ist es nicht», meint Achim Walter, Professor für Kulturpflanzenwissenschaften an der ETH Zürich, «aber neue Technologien sind schon heute recht vielversprechend.»

Auch Mintchevs kleine Helfer könnten in Zukunft dazu beitragen, den Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden effizienter zu steuern. Ein weiteres Ziel wäre, sie als Suchroboter für Menschen oder für die Begutachtung von Schäden nach Klimakatastropheneinzusetzen. «Die Richtung geht von der reinen Beobachtung zur Aktion», fasst Stefano Mintchev die Entwicklung zusammen, «Irgendwann werden wir so weit sein, dass Pflanze, Tier und Maschine miteinander kommunizieren und sich gegenseitig helfen.»