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Digitale Zwillinge gegen Lebensmittelverschwendung

Rund ein Drittel aller Lebensmittel weltweit landet im Abfall anstatt auf dem Teller. Mit Hilfe von digitalen Zwillingen möchten Forschende der Empa und der südafrikanischen Stellenbosch University nun Lebensmittelabfälle etwa bei Zitrusfrüchten entlang der Produktions- und Lieferketten verringern.

Die nötigen hygrothermischen Messdaten für eine bessere Haltbarkeit von Orangen & Co. wären eigentlich bereits verfügbar. Bisher würden sie jedoch zu wenig genutzt, schreiben die Forschenden in einer aktuellen Studie.

Wie Qualitätseinbußen und Vermarktungsprobleme aufgezeigt und sogar vorhergesagt werden können

Empa-Forscherin Chandrima Shrivastava arbeitet mit digitalen Lösungen gegen Lebensmittelverschwendung (Foto: Empa)

Auf dem Weg vom Produktionsort auf den Teller der Konsumenten verdirbt etwa ein Drittel aller Lebensmittel weltweit. Ein Grund sind ungünstige Lagerungsbedingungen entlang von Produktions- und Lieferketten bis hin zur suboptimalen Aufbewahrung zuhause. Forschende der „Biomimetical Membranes and Textiles“ Labors der Empa in St. Gallen arbeiten seit längerem an digitalen Lösungen, mit denen dieser „Food Waste“ reduziert werden könnte. Nun hat das Team gemeinsam mit Forschenden der Universität Bern und der südafrikanischen Stellenbosch University digitale Zwillinge von Zitrusfrüchten entwickelt und die Ergebnisse im Fachmagazin „Nature Food“ publiziert.

Zu den 17 Zielen für nachhaltige Entwicklung der Agenda 2030 der Vereinten Nationen gehören auch Ernährungssicherheit und eine nachhaltige Landwirtschaft. Die Welternährungsorganisation FAO sieht denn auch nachhaltige digitale Lösungen und Innovationen als ein Mittel, diese Ziele zu erreichen. Das Team um Chandrima Shrivastava und Thijs Defraeye baut bei den virtuellen Doppelgängern von Zitrusfrüchten nun auf digitale Informationen, die sie durch Upcycling, also ein Aufwerten von kaum genutzten Daten, ermitteln konnten. „Jeder Container auf der Welt ist mittlerweile mit einem oder mehreren Temperatursensoren ausgestattet“, erklärt Empa-Forscher Defraeye. Bisher seien jedoch die vielfältigen Informationen, die in diesen Messwerten verborgen seien, nicht verwertet worden.

Thijs Defraeye vom Biomimetic Membranes and Textiles Labor der Empa in St. Gallen entwickelt mit seinem Team digitale Zwillinge auf der Basis von komplexen mathematischen Modellen (Foto: Empa)

Mittels mathematischen Auswertungen der physikalischen Prozesse konnte das Team die Datensätze dazu nutzen, entscheidende Eigenschaften der Früchte im Zeitverlauf zu verfolgen und dadurch Qualitätseinbußen und Vermarktungsprobleme aufzuzeigen und sogar vorherzusagen. Hierzu hatten die Forschenden die Temperaturentwicklung in 47 Containerladungen mit Zitrusfrüchten über den gesamten Transportweg hinweg verfolgt und hierdurch bei den digitalen Zwillingen die Wahrscheinlichkeit von entsprechenden Schäden wie etwa Austrocknung, Verschimmeln oder Verrotten oder erwünschte Veränderungen wie die Sterberate von Fruchtfliegen-Larven anhand von Computersimulationen ermittelt.

Heraus kam eine große Bandbreite an Transportbedingungen und entsprechenden Qualitätseinbussen. „In unserer Studie lagen die Hälfte aller Lieferungen außerhalb der idealen Bedingungen für den Transport“, schildert Defraeye. Die Folgen: Fäulnis, Kälteschäden, verdorbene Ware. Am Ende ihrer rund 30-tägigen Reise waren die verbliebenen Zitrusfrüchte im Haushalt schließlich teilweise nur noch wenige Tage haltbar.

Optimale Bedingungen

Kartoffeln, Avocado und Apfel: Mit Sensoren bestückte biophysikalischen Zwillinge reisen mit Gemüse und Obst vom Feld bis zum Supermarkt (Bild: Empa)

Die Lösung des Problems liegt jedoch nicht einfach in einer stärkeren Kühlung der Lebensmittel. Vielmehr ist eine präzise Einstellung der Transportbedingungen in Form eines Kompromisses nötig. Denn reist die Zitrone beispielsweise zu kühl, werden zwar Schädlinge wie Fruchtfliegen oder andere Qualitätseinbußen im Zaum gehalten. Dafür entstehen aber Kälteschäden an den Früchten, was sie unter Umständen unverkäuflich macht.

Anhand der digitalen Zwillinge konnte das Team nun optimale Bedingungen bestimmen, in denen relevante Risiken wie etwa Fliegenbefall, optische Mängel und Kälteschäden gegeneinander abgewogen sind. Noch sind weitere Entwicklungen bis zur Anwendung nötig, doch das Ziel ist klar: Entlang der Produktions- und Lieferketten sollen Unternehmen die virtuellen Früchte in ihre Prozesse einbinden können, um die Lagerungsbedingungen in der Realität zu optimieren und Lebensmittelverluste zu mindern.

Fruchtspione auf Reisen

Sensorapfel: Empa-Forscherin Seraina Schudel mit dem biophysikalischen Zwilling eines Apfels (Foto: Empa)

Empa-Forschende arbeiten zudem an biophysikalischen Zwillingen von Früchten und Gemüse, um Lebensmittelverschwendung zu reduzieren. Die Eigenschaften der Feldfrüchte werden hierbei von den Polymer-Modellen perfekt simuliert. Zudem sind die biophysikalischen Zwillinge mit Sensoren ausgestattet, die die Temperatur und den Feuchtegehalt messen, wie sie an der Schale und im Fruchtfleisch der echten Nahrungsmittel herrschen. So meldet der „Spion“ unter den Produkten präzise Daten um die Bedingungen bei Lagerung und Transport zu optimieren – anders als herkömmliche Messmethoden.

Zuletzt haben die Forschenden das Sortiment der Sensorfrüchte Apfel und Mango um Kartoffeln und Avocados in verschiedenen Größen erweitert sowie Materialien und Herstellungsprozess verbessert.

Quelle: Empa

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