16 May 2022

Nemo's Garden - Der digitale zwilling ermöglicht eine revolution in der unterwasserlandwirtschaft

Die Landwirtschaft ist für unser modernes Leben von grundlegender Bedeutung. Allerdings stößt die Bereitstellung der von uns benötigten Produkte in dem für unsere globale Gesellschaft erforderlichen Umfang an die Grenzen der traditionellen Landwirtschaft. Das Team von Nemo's Garden versucht, diese Belastung zu verringern, indem es seine Liebe zum Tauchen und zur Gartenarbeit miteinander verbindet. Sie haben Pflanzen unter Wasser gebracht, die sonst auf dem Festland wachsen, und erfolgreich nährstoffreiche Pflanzen vor der Küste Italiens geerntet.
 
Die von ihnen entwickelte landwirtschaftliche Plattform hat sich nicht nur als praktikable Methode für das Pflanzenwachstum erwiesen, sondern bietet auch ökologische Vorteile für die Pflanzen und ihre Umgebung - die untergetauchten Biosphären ermöglichen nährstoffreichere Produkte, und die Strukturen der Biosphären bilden ein künstliches Riff, in dem Korallen, Algen, Muscheln und Muscheln gedeihen. Der Innovationszyklus war jedoch durch die jährliche Wachstumssaison begrenzt, so dass das Team nur eine Chance pro Jahr hatte, sein Produkt zu optimieren, zu testen und zu skalieren.
 
Hier kommt das Siemens Xcelerator-Portfolio ins Spiel, das eine digitale Lösung für die Definition und Verfeinerung des Designs vom Inneren der Kuppel über die Umgebung bis hin zu den Fernüberwachungssystemen bietet.
 
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Mit Hilfe von Siemens Xcelerator und eines digitalen Zwillings kann das Team von Nemo's Garden Konzepte testen, ohne dass physische Tests erforderlich sind. Das ermöglicht eine schnelle Design-Iteration.
 
Im Inneren der Kuppel:
Nemo's Garden besteht aus einer Reihe von Biosphären, die unter der Wasseroberfläche liegen, die eine Wachstumsumgebung bilden, die Pflanzen vor direktem Sonnenlicht schützen und durch Verdunstung Süßwasser erzeugen. Die Atmosphäre innerhalb der Biosphäre muss sorgfältig kontrolliert werden, um hohe Luftfeuchtigkeit oder Temperaturen zu vermeiden, die den Pflanzen schaden würden. Durch die digitale Modellierung der Kuppeln mit der Produktdesign- und -Entwicklungssoftware NX von Siemens kann das Team die Position von Sensoren, Luftzirkulationsventilatoren und vielem mehr auf Grundlage der Wachstumsmuster der Pflanzen im Inneren optimieren.  
 
Konstruktion: 
Design und Konstruktion des Schutzgehäuses sind entscheidend für die Schaffung und Aufrechterhaltung einer optimalen Atmosphäre für die terrestrischen Pflanzen. Unterwasserströmungen und Innendruck erfordern, dass die Biosphären nicht nur robust sind, während Herstellungs-, Transport- und weltweite Einsatzkosten für eine leichte und einfach herzustellende Konstruktion sprechen.
 
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Xcelerator von Siemens ist ein umfassendes, integriertes Portfolio von Software, Dienstleistungen und einer Plattform zur Anwendungsentwicklung.
 
Hier ermöglicht die 3D-Simulation mit Simcenter von Siemens eine beschleunigte Designiteration. Zudem unterstützt sie das Team bei der Erstellung einer virtuellen Unterwasserumgebung für die neuen Kuppelkonstruktionen. In dieser konnte Nemo's Garden die Konstruktion unter unterschiedlichen Bedingungen virtuell testen und optimieren. So hat beispielsweise die äußere Form der Biosphäre einen großen Einfluss auf den Widerstand gegenüber Meeresströmungen. Bei einem Entwurf mit einer größeren Oberfläche müssten die Befestigungspunkte passend zur größeren Belastung gestaltet werden. 
 
Die Umwelt: 
Bei der Bewertung des Designs und der Konstruktion der Biosphären ist es wichtig, die Auswirkungen der Strukturen auf die Umgebung zu verstehen, um die Auswirkungen auf diese Umgebung zu reduzieren. Die Biosphären bieten eine künstliche Riffumgebung, indem sie die Strömung um sie herum verlangsamen. Das Team von Nemo's Garden möchte jedoch alle potenziellen negativen Auswirkungen, die die Struktur langfristig haben könnte, bewerten und abmildern. Wie wirken sich die Ankerpunkte auf das Leben auf dem Meeresboden aus? Wie werden die Strömungen um die Biosphären beeinflusst?
 
Die Simulation hilft, diese Fragen frühzeitig zu beantworten, so dass sie angegangen werden können, bevor die Kosten unüberschaubar werden.  Darüber hinaus kann die Kombination vorhandener Biosphärendaten mit Wettervorhersagen auch das Pflanzenwachstum in der Biosphäre verbessern. Sonnige Tage erzeugen mehr Wärme und Feuchtigkeit in den Biosphären, so dass das System diese Schwankungen ausgleichen muss.
 
AI/ML: 
Ein wichtiger Aspekt, der sich durch den gesamten Prozess vom Bau bis zum Einsatz zieht, ist die Notwendigkeit, die Umwelt innerhalb und außerhalb der Biosphären sorgfältig zu überwachen, um optimale Wachstumsbedingungen zu gewährleisten. Dies ist traditionell ein stark manuell geprägter Prozess, der von geschulten Tauchern innerhalb der Biosphären durchgeführt wird. Die Digitalisierung, insbesondere der Einsatz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen, macht es jedoch möglich, 
dies aus der Ferne zu tun.
 
Durch die Ausstattung jeder Biosphäre mit einem Sensor- und Steuerungssystem können die Umwelt- und Wachstumsdaten erfasst und analysiert werden. Einige dieser Daten steuern direkt die Abläufe in der Biosphäre, so wird beispielsweise die Ventilatorgeschwindigkeit wahrscheinlich lokal gesteuert. Die Daten werden zudem an Land gesendet, um KI- und ML-Modelle der Wachstumsmuster innerhalb der Biosphären zu erstellen. Ein solches Modell nutzt visuelle Daten des terrestrischen Wachstums und früherer Wachstumssaisons innerhalb der Biosphären von Nemo's Garden. Das Modell wird genutzt, um den Zeitplan für die Ernte der Pflanzen auf ihrem Höhepunkt des Nährstoffgehalts zu erkennen.
 
Die Schaffung einer nachhaltigen Zukunft erfordert vielfältige Investitionen in die Technologien von heute. Wie bei Nemo's Garden ermöglicht eine Digital-First-Strategie die Beschleunigung des Entwicklungs- und Konstruktionszyklus. Nicht alle Unternehmen haben eine Iterationszeitspanne, die eine ganze Vegetationsperiode dauert. Trotzdem ist es ein wichtiges Ziel für jedes Unternehmen, das erfolgreich nachhaltige Produkte entwickeln will, schneller die beste Lösung zu finden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss man ein Problem oft aus mehreren Perspektiven betrachten.  Für Nemo's Garden war es eine physikalische Größe, für andere ist es vielleicht der Emissionsumfang der Produktion. Was auch immer Ihr Unternehmen vorantreiben muss, mit Siemens Software und dem Xcelerator-Portfolio ist es möglich.
 
Siemens Digital Industries Software fördert die Transformation von Unternehmen auf ihrem Weg in Richtung „Digital Enterprise“, in dem Engineering, Fertigung und Elektronikdesign bereits heute den Anforderungen der Zukunft entsprechen. Das Xcelerator Portfolio hilft Unternehmen jeder Größe bei der Entwicklung und Nutzung digitaler Zwillinge, die ihnen neue Einblicke, Möglichkeiten und Automatisierungsgrade bieten, um Innovationen voranzutreiben. Weitere Informationen zu den Produkten und Services von Siemens Digital Industries Software finden Sie unter siemens.com/software oder folgen Sie uns auf LinkedIn, Twitter, Facebook und Instagram. Siemens Digital Industries Software – Where today meets tomorrow.