Seite 22-23 - Inside out 4/2014

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Kein Saatkorn gleicht dem anderen. Jede Pflan-
zenart hat ihr eigenes Samendesign: Es gibt
kleine schwarze Kügelchen, andere sind läng-
lich geformt. Kamillesamen sind hauchzart
und filigran, verwehen beim leichtesten Luft-
zug. Sojabohnen hingegen haben eine klassi-
sche Bohnenform und sind etwa erdnussgroß.
Verschiedene Formen, verschiedene Oberflä-
chenstrukturen und teilweise knallige, unna-
türliche Farben. Prof. Dr.-Ing. Till Meinel vom
Institut für Landmaschinentechnik und Rege-
nerative Energien hat in seinem Büro ein Kabi-
nett dutzender Samenarten – in Setzkästen, ge-
schützt hinter Glas.
Mit den Samen und Körnern von Nutzpflan-
zen beschäftigt er sich seit über drei Jahren
besonders intensiv. Genauer gesagt mit ihren
diskreten Körpern und wie man über sie eine
allgemeingültige Beschreibung gewinnt. „Mit
diesem Projekt werde ich sehr wahrscheinlich
bis zumeiner Rente beschäftigt sein, so beliebig
komplex ist das Thema“, meint der 52-Jährige.
Das schreckt ihn aber nicht ab. Die Möglichkei-
ten, die sich durch seine Grundlagenforschung
später für Konstrukteure landwirtschaftlicher
Maschinen eröffnen, sind ihm eine Herzensan-
gelegenheit.
Die glänzenden Farben der Samen in Meinels
Schaukästen kommen von Beizmitteln, die die
Saatguthersteller verwenden, damit die Keime
im nassen Erdreich nicht faulen und sie vor ge-
fräßigen Insekten ge-
schützt sind. Jeder Her-
steller benutzt andere Beizen,
dadurch sieht nicht jede Acker-
bohne farblich gleich aus – und auch
in der Oberflächenstruktur unterschei-
den sich die Samenkörper deutlich von
Beize zu Beize. Noch ein Parameter, den Pro-
fessor Meinel beachten muss. Ein komplexes
Thema eben.
Akkurate Kornablage
In einemPunkt sind alle Samen gleich: Auf dem
Acker werden siemit einer universell einsetzba-
ren Sämaschine ausgebracht und gleichmäßig,
mit einem genau definierten Abstand im Bo-
den verteilt. Radieschen imAbstand von 2,5 bis
3,5 Zentimetern, Tomaten im Abstand von bis
zu 1,50 Metern. Damit immer nur exakt ein Korn
an Ort und Stelle zu Boden geht, müssen ent-
sprechende Parameter in der Sämaschine ein-
gestellt werden, passend zur Samengröße. Mit-
tels Unterdruck und Saugluft wird dann Korn für
Korn gepickt und über Lochscheiben im Feld
abgelegt.
Was am Ende so akkurat funktioniert, ist das Er-
gebnis einer komplexen Konstruktionsleistung.
Als langjähriger Entwicklungsleiter von Land-
maschinen weiß Meinel, wie aufwändig und
zeitintensiv das Testen in riesigen Hallen und
auf dem freien Feld ist: Auf bis zu 50 Samenar-
ten muss die Maschine eingestellt werden. Na-
türlich versuchen die Konstrukteure, die Ar-
beit durch Computersimulationen zu
vereinfachen, aber das „funktioniert
noch nach der Trial-and-Error-Me-
thode“, sagt Meinel.„Es gibt bis-
lang weltweit kein belastba-
res Computermodell für
diese Formder Natur-
stoffe.“ Um das zu
ändern, be-
treibt
er
Erdstoffe sind komplizierter als Samen
Das Interesse an einer kommerziell nutzbaren
Naturstoff-Datenbank ist groß: Vier Industrie-
partner sind an dem BMBF-Projekt„Anwender-
freundliche Discrete Element Method-Daten-
bank für landwirtschaftliche Stoffe (ADALS)“
beteiligt. Die Technische Universität Dresden
ist als Promotionspartnerin eingebunden. Im
Hallenbereich des Campus Deutz untersucht
Doktorand und ADALS-Projektkoordinator An-
dreas Prüfer am Trommelprüfstand die Stoffei-
genschaften von vierzehn verschiedenen Sa-
men und Granulaten.
„Mit der Simulation von Naturstoffen stehen wir
gerade erst amAnfang“, sagt Prüfer. Bevor er als
Doktorand an die Fachhochschule Köln kam,
beschäftigte er sich an der TU Dresden mit der
Simulation von Grabprozessen im Boden. Aber
die Erfassung und Abbildung der Eigenschaf-
ten von Erden wie Kies, Sand oder Ton sei noch
komplizierter. Da man in der Wissenschaft
vom Einfachen zum Komplizierten ar-
beitet, hat sich Andreas Prüfer den
Granulaten zugewandt.
Im Trommelprüfstand ro-
tieren die Körper wie in
einerWäscheschleu-
der in unter-
schiedlichen
Geschwin-
digkei-
ten durch den Zylinder und bilden eine soge-
nannte Materialniere. Deren Form und
Ausprägung ist von der jeweiligen Drehge-
schwindigkeit der Trommel abhängig. Parallel
zum realen Experiment läuft eine Computersi-
mulation. „Wenn unsere Parameter für die Stof-
feigenschaften stimmen, sollten die auftreten-
den Phänomene in beiden Fällen die gleichen
sein“, so Prüfer.
Für diese Versuchsreihen muss jede Samen-
art vorab dreidimensional erfasst werden: die
Kontur, die unterschiedliche Ausprägung der
Oberfläche, die Elastizität, die Reibwerte. Dar-
aus lassen sich beispielsweise die Ellipsen und
die Schüttdichte errechnen. Bilden Körner ei-
nen Haufen, wird zwischen den einzelnen Kör-
pern Luft eingeschlossen. Das Volumen der Luft
hängt wieder ab von der jeweiligen Kornform.
Nur einer von verschiedensten Einflüssen, die
Till Meinel und Andreas Prüfer untersuchen.
Institut als Kompetenzcenter etablieren
„Wir haben bereits eine große Menge an Stoff-
daten erfasst, jetzt laufen diverse Simulationen,
in denen wir versuchen, Realität und Simulation
auf die gleiche Waage zu bringen“, erzählt Prü-
fer. „Gerade verfolgen wir das Ziel, den jeweili-
gen Winkel der Körner, die durch die Trommel
wirbeln, möglichst gleich zu simulieren“. Bei sei-
nen Untersuchungen bindet der Doktorand im-
mer wieder Maschinenbau-Studenten mit ein,
die mit ihren Projekt- und Abschlussarbeiten
Stück für Stück die Datenbank erweitern. Ziel
ist es, ein prognosetauglichesWerkzeug für die
Konstrukteure zu entwickeln. Die Datenbank
mit den Stoff- und Simulationsparametern bil-
det dabei einen wichtigen Schwerpunkt. Till
Meinel und Andreas Prüfer sind zuversichtlich,
dass in zehn Jahren die Computersimulation
auf Partikelbasis mit der
Discrete ElementMethod
gängige Praxis in der Agrartechnik sein wird.
Ihre Datenbank wird dafür ein wichtiger Beitrag
sein. Dann hätte sich die Hochschule auf die-
semGebiet als Kompetenzcenter etabliert.
mp
BMBF-Projekt
Anwenderfreundliche Discrete
Element Method-Datenbank für
landwirtschaftliche Stoffe (ADALS)
Projektleitung
Fachhochschule Köln, Insti-
tut für Landmaschinentechnik und Regene-
rative Energien
Kooperationspartner
Technische Universi-
tät Dresden, Professur für Agrarsystemtech-
nik; Amazonen-Werke H. Dreyer GmbH &
Co. KG; Claas Selbstfahrende Erntemaschi-
nen GmbH; Kverneland Group Soest GmbH;
Lemken GmbH & Co. KG; Rauch Landma-
schinenfabrik GmbH
Mähdrescher, Saat- und Pflanzmaschinen arbeiten
hochautomatisiert. Bei ihrer Konstruktion suchen
Agrartechniker nach effizienten Entwicklungsmöglich-
keiten – zum Beispiel durch Computersimulation. Was
naheliegend klingt, ist hier noch Zukunftsmusik.
Tatsächlich gibt es noch keine belastbaren Compu-
termodelle für das, was die Maschinen bearbei-
ten sollen: Samen und Körner. Um das zu ändern,
betreiben Landmaschinentechniker der Fach-
hochschule Köln Grundlagenforschung.
(v. l.) Andreas Prüfer und Prof. Dr.-Ing. Till Meinel
wollen mit ihrer Grundlagenforschung die Hoch-
schule als Kompetenzcenter für Landmaschinenher-
steller etablieren.
Foto: Heike Fischer, FH Köln
jetzt Grund-
lagenforschung.
Wenn man den Zu-
sammenstoß zweier
Teilchen am Computer si-
mulieren will – und genau das
passiert, wenn Saatgut durch die
Rohre und Schlauchsysteme einer
Sämaschine wandert –, braucht man
bestimmte Parameter: Form und Dichte
der Teilchen, Lage des Schwerpunkts und
Elastizitätsmodul sind wichtige Kennwerte.
Außerdem spielen noch externe Faktoren
eine Rolle wie Feuchtigkeit, Trockenheit und
die chemischen Ummantelungen. „Wir wollen
eine Methodik erarbeiten, wie man auf Basis
einer standardisierten Prozedur Saatgüter so
beschreiben kann, dass sie sich in der Compu-
tersimulation genauso verhalten wie in der Na-
tur“, sagt Meinel.