Archiv für den Monat: Mai 2016

Forschungsprojekt InSpee

Forschungsprojekt InSpee Riesige Salzkavernen sollen in Norddeutschland Windenergie speichern

In Norddeutschland suchen Forscher nach unterirdischen Plätzen für Salzkavernen. Darin könnte sich Windenergie als Druckluft oder Wasserstoff speichern lassen. Allein für Niedersachsen vermuten die Experten ein Potential von 350 Milliarden kWh.

Rohsalz-Großbunker des Kaliwerks Werra

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Rohsalz-Großbunker des Kaliwerks Werra rund 1200 m unter der Erde: Aus Salzstöcken lassen sich auch sogenannte Salzkavernen schaffen. Dafür pumpt man Wasser in den Untergrund, das Salz auswäscht und einen Hohlraum entstehen lässt.

Foto: Fredrik Von Erichsen/dpa

 

Der Flaschenhals der Erneuerbaren Energien sind immer noch Stromspeicher für überschüssigen Strom. Mit ihnen steht und fällt die Energiewende. Kein Wunder also, dass Forscher des Projekts InSpee nach neuen Speichermöglichkeiten suchen. Kommen im Norden Deutschlands, wo Windkraftanlagen besonders viel Strom erzeugen, Wasserspeicherkraftwerke in Frage? Nein, denn im Norddeutschen Becken gibt es wenige Anhöhen. Dafür befinden sich unter dem norddeutschen Festland und der Nord- und Ostsee 697 Salzstrukturen. Und diese Lagerstätten von Steinsalz – ein Gestein, das vor Millionen Jahren aus konzentriertem Meerwasser entstand ­– könnten des Rätsels Lösung sein.

Riesige Salzkavernen speichern Druckluft oder Wasserstoff

Aus den Salzstöcken lassen sich sogenannte Salzkavernen schaffen. Dafür pumpt man Wasser in den Untergrund, das Salz auswäscht und einen Hohlraum entstehen lässt. Er eignet sich perfekt als Druckluftbehälter, der nach außen undurchlässig ist und nicht mit Gas reagiert. Energiespeicherkraftwerke können dann mit überschüssiger Windenergie Druckluft erzeugen, die später für die Energierückgewinnung Turbinen antreibt.

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Salzkavernen sind nach außen dicht und somit perfekte Behälter für Druckluft und Wasserstoff. Eine Kaverne mittlerer Größe erreicht eine Speicherkapazität von etwa 140 GWh.

Foto: KBB Underground Technologies

Die Lagerung ist aufgrund des großen Abstands zur Erdoberfläche und dem Schutz vor Fremdeinwirkungen besonders sicher. Das beweist auch das älteste Druckluftkraftwerk der Welt, das 1978 in Huntorf bei Wilhelmshaven angelaufen ist. Die beiden Salzkavernen befinden sich in einer Tiefe zwischen 650 und 800 m und sind 60 m breit und 150 m hoch.

Nur eine einzige Bohrung nötig

Und es gibt weitere Vorteile dieser Speicherlösung. „Im Vergleich mit anderen Speicheroptionen im geologischen Untergrund zeichnen sich Salzkavernen durch geringe spezifische Baukosten aus, da Bau und Betrieb der Kavernen mit einer einzigen Bohrung erfolgt“, sagte Gregor Sönke Schneider von KBB Underground Technologies, ein Spezialist für Salzspeicher und Partner des Forschungsprojekts, der Wirtschaftswoche.

Alternativ lässt sich mit Stromüberschüssen über Elektrolyse Wasserstoff herstellen, der sich ebenfalls in Salzkavernen speichern lässt. Neben der Rückverstromung und der Einspeisung in das Erdgasnetz ist auch die Verwendung als umweltschonender Kraftstoff denkbar. Die USA nutzen diese Speichermöglichkeit bereits.

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Das Druckluftspeicherkraftwerk in Huntorf ging bereits 1978 in Betrieb. Die beiden Salzkavernen befinden sich in einer Tiefe zwischen 650 und 800 m.

Foto: KBB Underground Technologies

In Deutschland gibt es hingegen noch keine Grundlagen für die Bewertung der Speicherstandorte. Das Projekt InSpee soll das ändern. Die Wissenschaftler wollen die Salzstrukturen identifizieren, die sich für eine Kaverne eignen, und einschätzen, welche Energiemengen sich im geologischen Untergrund speichern lassen. Partner des Projekts ist auch das Institut für Geotechnik der Universität Hannover.

Forscher vermuten in Niedersachsen Potential von 350 Milliarden kWh

Die Forscher schätzen das Potential zur Energiespeicherung in Salzkavernen allein für Niedersachsen auf etwa 370 Millionen kWh bei einer Befüllung mit Druckluft und auf ganze 350 Milliarden kWh bei Wasserstoff. Zum Vergleich: Ein Privathaushalt hat pro Jahr einen durchschnittlichen Stromverbrauch von 3500 kWh. Eine einzelne Salzkaverne kann dabei zwischen 300.000 und 700.000 Kubikmeter aufnehmen. „Abschätzungen für eine Kaverne mittlerer Größe ergeben eine Ein- bzw. Ausspeicherrate von etwa 500 MW bei einer nutzbaren Speicherkapazität von etwa 140 GWh“, erklärt Schneider.

Von Patrick Schroeder
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Energiespeicher/Riesige-Salzkavernen-in-Norddeutschland-Windenergie-speichern vom 13.05.2016

 

 

Werkstoff: Graphen

Super lässt sich steigern

Das Wundermaterial Graphen lässt sich jetzt wie Eisen magnetisieren. Wasserstoffatome machen das möglich. Ist damit auch ein neuer digitaler Speicher geboren?

13.05.2016, von Manfred Lindinger

© S. M. Hollen & J. A. Gupta, Science, AAS Auf dem hexagonalen Graphengitter sitzen Wasserstoffatome, die mit ihren Spins Ferromagnetismus (blaue Pfeile) oder Antiferromagnetismus (braune Pfeile) hervorrufen.

Einlagige Graphitschichten, sogenanntes Graphen, zeichnen sich durch exzellente mechanische, elektrische und optische Eigenschaften aus. Der häufig als Wundermaterial titulierte Stoff lässt sich mittlerweile sogar in einen Supraleiter verwandeln. Einzig der Magnetismus hat bislang im Repertoire der Materialeigenschaften gefehlt. Nun ist es einer spanisch-französischen Forschergruppe gelungen, diese Lücke mit Wasserstoffatomen zu schließen.

Manfred Lindinger Folgen:

Bei Graphen handelt es sich um eine zweidimensionale Substanz. Die Kohlenstoffatome sind ähnlich wie beim Graphit in einer Wabenstruktur miteinander verknüpft. Sie bilden auf diese Weise ein ausgedehntes, nur eine Atomlage dünnes hexagonales Gitter. Damit Graphen magnetisch wird, müssen einzelne Elektronenspins (Eigendrehimpulse) vorkommen. Die Valenzelektronen in den Atomorbitalen der gekoppelten Kohlenstoffatome treten jedoch immer nur paarweise auf, wodurch kein resultierendes magnetisches Moment entsteht. Graphen ist deshalb im Normalzustand unmagnetisch. Es wird nur in einem extrem starken Magnetfeld diamagnetisch.

Magnetismus in Graphen hervorrufen

Seit einigen Jahren gibt es Versuche, Magnetismus in Graphen hervorzurufen. Dazu bombardiert man die zweidimensionale Kohlenstoffmodifikation mit Atomen, die einzelne Atome aus dem Graphenverbund herausschlagen. Zwar lassen sich mit diesem recht brachialen Verfahren ungepaarte Elektronenspins mit magnetischen Momenten erzeugen. Ferromagnetismus, wie man ihn von magnetisiertem Eisen her kennt, ließ sich auf diese Weise allerdings bislang nicht bewirken.

Magnetisches Graphen © CIC Nanogune Madrid Vergrößern Ein Wasserstoffatom leuchtet auf einer Graphenoberfläche.

Einen eher sanften Ansatz verfolgt Iván Brihuega von der Universidad Autónoma de Madrid mit seinen Kollegen. Die Forscher machen sich den Umstand zu nutze, dass ein Wasserstoffatom, das mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist, sein schwaches magnetisches Moment an seinen Bindungspartner überträgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die magnetische Wirkung des Wasserstoffs für atomare Maßstabe recht weit streut. Das führt dazu, dass die Kohlenstoffatome in Graphen das magnetische Moment eines gebundenen Wasserstoffatoms in ihrer Nähe spüren.

Brächte man nun weitere Wasserstoffatome auf eine Graphenoberfläche, so die Idee von Brihuega und seinen Mitarbeitern, ließe sich das zuvor unmagnetische Material in einen Magneten verwandeln. Dabei kommt es allerdings auf den Abstand der gebundenen Wasserstoffatome untereinander an. Ist er zu groß, ist die Gefahr groß, dass sie auf verschiedenen Untergittern der hexagonalen Wabenstruktur des Graphens sitzen. Dann können sie sich nicht entsprechend verstärken, und es tritt kein Magnetismus auf.

Eigendrehimplus entwickelt magnetisches Moment

Es kommt deshalb darauf an, die Wasserstoffatome möglichst exakt zu plazieren, wozu man üblicherweise ein Rastertunnelmikroskop verwendet. Das Instrument lässt sich wie eine Pinzette für Atome nutzen. In ihrem Experiment haben Brihuega und seine Kollegen eine Graphenprobe zunächst bis auf minus 268 Grad gekühlt und dann behutsam mit Wasserstoff bedampft. Die tiefe Temperatur bewirkte, dass die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome keine störenden Wärmebewegungen ausführten. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops schoben die Forscher die Wasserstoffatome an die gewünschte Stelle im Graphen. Mit ihrer Sonde konnten sie jeden Arbeitsschritt verfolgen und untersuchen, wie sich dabei die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Probe veränderten.

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Dort, wo sich ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoffatom verbunden hatte, entstand ein ungepaartes Elektron, dessen Eigendrehimplus ein magnetisches Moment entwickelte. Plazierte man ein weiteres Wasserstoffatom in seiner Nachbarschaft, begannen die beiden Elektronenspins magnetisch miteinander zu interagieren und sich zu verstärken. Mit jedem hinzugefügten Wasserstoffatom wurde der Effekt stärker, und es bildete sich tatsächlich ein ferromagnetischer Bereich im Graphen, wie die Forscher in der Zeitschrift „Science“ berichten. Die magnetischen Momente der Wasserstoffatome zeigten in ein und dieselbe Richtung.

Waren die Wasserstoffatome des leichtesten Elements auf verschiedenen Untergittern verteilt, trat eine antiferromagnetische Ordnung auf. Die magnetischen Momente waren nun nicht mehr exakt parallel zueinander orientiert. Der Magnetismus schwächte sich ab oder verschwand vollständig, wenn sie antiparallel ausgerichtet waren. Durch gezieltes Verschieben der Wasserstoffatome auf dem Graphengitter konnten die Forscher den Magnetismus ein- und ausschalten. Da man Elektronenspins beispielsweise zum Speichern von Informationen nutzt, könnte man Graphen schon bald als digitalen Speicher nutzen.

Quelle: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/magnetisches-graphen-digitaler-speicher-der-zukunft-14212544.html vom 13.05.2016

Vernetzte Roboterspinnen drucken autonom Karosserien

Achtung, die Spinnen kommen: Siemens hat jetzt mobile 3D-Druck-Roboter auf acht Beinen vorgestellt, die im Karosseriebau helfen können, schneller ein Chassis zu fertigen. Die wuseligen Spinnen verständigen sich untereinander und sorgen dafür, dass die Produktion nicht stockt.

Spinnenrobotern gehört möglicherweise die Zukunft der Industriearbeit

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Den Spinnenrobotern gehört möglicherweise die Zukunft der Industriearbeit. Chefentwickler Livio Dalloro ist jedenfalls davon überzeugt, dass seine SiSpis das Zeug dazu haben.

Foto: Siemens

Sie kommen auf acht Beinen daher und sind nicht jedermanns Sache. An Spinnen scheiden sich bekanntlich die Geister. Zwar sind es eindeutige Nützlinge aber eklig finden die meisten Menschen sie trotzdem. Vielleicht kann ja SiSpis den geschmähten Achtbeinern zu mehr Achtung und Respekt verhelfen.

Denn SiSpis sind Spinnenroboter von Siemens, die Abkürzung steht für Siemens Spiders. Und diese SiSpis sind mit Extruder-Düsen bestückt, die auch in normalen 3D-Druckern zum Einsatz können. SiSpis sind somit 3D-Drucker auf acht Beinen, die das Druckmaterial im Mikrometerbereich auftragen. Die Spinnenroboter arbeiten wahlweise autonom oder integrieren sich als Teamplayer in einem komplexen Fertigungsverbund auf Spinnenbeinen.

Auf Teamwork programmiert

Erfunden wurden die für autonomes Arbeiten ausgelegten mobilen 3D-Drucker von einem Forscherteam des Siemens Robotic Labs in Princetown im US-Bundesstaat New Jersey. Die wendigen Maschinen sind auf effektive Zusammenarbeit programmiert, so dass sie gemeinsam komplexe Strukturen erschaffen können.

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Das Ziel des Projekts ist es, eine Prototypen-Plattform für mobile autonome Fertigung zu entwickeln.

Foto: Siemens

„Wir erwägen mehrere Autonome Roboter für die arbeitsteilige additive Fertigung von Konstruktionen wie Fahrzeugkarossen, Schiffskörpern und Flugzeugrümpfen einzusetzen“, sagt Livio Dalloro, Leiter der Forschungsgruppe für Produktdesign, Modellierung und Simulation des Arbeitsgebiets Automatisierung und Steuerungstechnologie in Princetown. Dalloro sieht in diesen mobilen 3D-Druckern sogar eine neue Art von Industriearbeitern. Spinnen statt Arbeiter.

SiSpis sind mit Laserscanner und Kamera bestückt

Die Spinnenroboter haben Instrumente für die räumliche Orientierung an Bord, sind mit einem Laserscanner und einer Kamera ausgestattet. Diese beiden Systeme ermöglichen es ihnen, sich in ihrer aktuellen Umgebung zurechtzufinden. Die Sensoren zeigen den SiSpis genau, wo sie sich gerade befinden und wo sie zur Erfüllung ihrer Aufgabe im Gesamtwerk hingehen müssen.

Dreidimensionale Boxen

Die Zusammenarbeit sieht dann so aus: Jeder Spinnenroboter kennt den Bewegungsradius seines 3D-Druckerarms und findet eigenständig heraus, welchen Teil einer flachen oder gewölbten Fläche er ansteuern kann, während die anderen Roboterspinnen dieselbe Technik zur Bearbeitung der angrenzenden Flächen verwenden.

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Jede in der virtuellen Welt konstruierte Spinnenkomponente wurde mittels 3D-Druck gefertigt.

Foto: Siemens

Die gesamte Arbeitsfläche wird virtuell in dreidimensionale Boxen eingeteilt. Jeder einzelne Spinnenroboter legt selbständig fest, welche Zone er an der Karosserie bearbeiten kann. Dabei ist die Zusammenarbeit so angelegt, dass jeder Karosseriebereich abgedeckt und ein vollständiger, bis ins Detail ausgearbeiteter Fahrzeugrumpf entsteht.

Modifizierte Variante der Siemens-NX-PLM-Software

Nach etwa zwei Stunden permanenter Druckarbeit geht jedem SiSpis die Puste aus, dann muss er an die Ladestation. Damit die Arbeit nicht unterbrochen wird, gibt der erschöpfte SiSpis seine Position und seinen aktuellen Arbeitsstand an einen im Hintergrund wartenden, frisch aufgeladenen SiSpis weiter. Dann begibt er sich selbständig zur Ladestation und bezieht neue Energie, wobei er unterwegs mögliche Hindernisse souverän umkrabbelt.

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SiSpis: Die Spinnenroboter von Siemens sind mobile 3D-Drucker, die in Gruppen zusammen arbeiten können.

Foto: Siemens

Die Software für die Roboterspinnen kommt ebenfalls von Siemens. Es handelt sich dabei um eine modifizierte Variante der Siemens NX-Product-Lifecycle-Management (PML)-Softwarelösung, und einer von Dalloros Team entwickelten Hybridsoftware, die NX mit dem an internationalen Robotik-Instituten weit verbreiteten „Robot Oberating System“ (ROS) verbindet.

Noch quillt ein Kunststoff-Gemisch aus den Extruder-Düsen

Derzeit drucken die Prototypen der Spinnenroboter von Siemens ein Kunststoff-Gemisch aus Maisstärke, Zuckerrohr und anderen natürlichen Quellen aus ihren Extruder-Düsen. Bei diesen recht anfälligen Naturmaterialien soll es nicht bleiben. „Sobald die Technologie ausgereift ist“, sagt Hasan Sinan Bank aus dem Entwicklerteam in Princetown, „könnte man sie auf fast alles anwenden.“

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Das Elektroauto Swincar gleicht einer Spinne auf Rädern und ist besonders geländegängig.

Foto: Swincar

Die Spinne diente ebenfalls beim Geländewagen Swincar als Vorbild. Und so erinnert das elektrisch angetriebene Allradfahrzeug für eine Person optisch an einen Prototypen für ein Spiderman-Mobil.

Von Detlef Stoller
Quelle: http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Robotik/Vernetzte-Roboterspinnen-drucken-autonom-Karosserien vom 06.05.2016

Wie eine Erntemaschine reifen von jungem Blumenkohl unterscheidet

Bisher sind Scharen menschlicher Helfer nötig, um reifen Blumenkohl zu ernten, während junge Köpfe noch stehen bleiben. Das kann bald auch eine Maschine. Sie erkennt mit Hilfe von Hyperspektralkameras, ob das Gemüse reif ist, obwohl sich der Kopf unter Deckblättern verbirgt.

Automatischer Spargelernter

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Der Spargelpanther, in einem vorangegangenen Projekt entwickelt, soll künftig auch Blumenkohl und Feldsalat ernten. Dafür muss er intelligenter werden und durch die Blumenkohlblätter hindurchsehen können, um reif von unreif unterscheiden zu können.

Foto: ai-solution

Der „Spargelpanther“ des Wolfsburger Landmaschinenbauers ai-solution lernt dazu. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg modifizieren ihn gemeinsam mit ihren Wolfsburger Kollegen so, dass er auch Blumenkohl erntet. Das klingt nicht gerade nach einer Sensation. Die Maschine braucht doch nur über das Feld zu fahren und einen Kohl nach dem anderen abzuschneiden.

Doch das wäre ein schlechtes Geschäft für den Bauern, denn das Gemüse ist tückisch. Die Köpfe werden zu unterschiedlichen Zeiten reif, selbst wenn es sich um unmittelbare Nachbarn handelt. Um zu verhindern, dass auch Köpfe abgeschnitten werden, die noch ein paar Tage auf dem Feld brauchen, müssen Erntehelfer her. Die heben die schützenden Blätter an, prüfen mit erfahrenem Blick den Reifegrad und schneiden nur die Köpfe ab, die reif genug sind. Das ist eine personalintensive und damit teure Angelegenheit. Zudem lassen sich Erntehelfer immer schwerer finden.

 

Feine Unterschiede der Deckblätter

VitaPanther heißt der unermüdliche Erntehelfer der Zukunft. Er ist mit Hyperspektralkameras ausgestattet, die Bilder von sehr vielen Wellenlängen aufzeichnet, bis hin zu den infraroten und ultravioletten Bereichen, die dem menschlichen Auge verborgen bleiben. Die Kameras zeichnen das reflektierte Licht auf.

Rumänische Erntehelfer ernten am 14.04.2016 bei der Eröffnung der hessischen Spargelsaison auf einem Hof in Weiterstadt-Gräfenhausen (Hessen) Spargel. Die Region um Darmstadt ist die Hochburg des Spargelanbaus in Hessen. Die Saison endet traditionell am 24. Juni, dem Johannistag. Foto: Arne Dedert/dpa (zu dpa "Spargelsaison offiziell gestartet - «Sinnbild für regionales Gemüse»" vom 14.04.2016) +++(c) dpa - Bildfunk+++

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Erntehelfer: Wie hier bei der Spargelernte wird auch Blumenkohl überwiegend per Hand geerntet. Das Tückische: Erst wenn man die Blätter beiseite schiebt, kann man erkennen, ob er auch schon reif ist.

Foto: Arne Dedert/dpa

„Wir nutzen einen Effekt, den wir in Voruntersuchungen entdeckt haben“, sagt Professor Udo Seiffert, Leiter der Abteilung Biosystems Engineering am IFF. „Die Blätter eines reifen Blumenkohls setzen sich biochemisch anders zusammen als diejenigen, die die unreifen Köpfe einhüllen.“ Diesen Unterschied erkennt die Bildauswerteeinheit an Bord. Deutet alles auf einen reifen Kohl hin, zückt die Maschine das Messer und schneidet ihn ab.

 

Ernte dauert viele Tage

Menschliche Erntehelfer brauchen eine Woche oder länger, um ein Feld komplett abzuernten. Dazu müssen sie es immer wieder begehen. Der VitaPanther macht es genauso. Nur mit zwei Unterschieden: Er bekommt keine Rückenschmerzen und ist auch nachts einsatzfähig.

Das mathematische Modell, das die Aufnahmen der Kameras auswertet, basiert auf Algorithmen, die aus dem maschinellen Lernen stammen. Die Forscher nehmen mit der Kamera unterschiedlich reife Blumenkohlköpfe auf, die gleichzeitig ein menschlicher Experte begutachtet. Mit der Zeit lernt die Software, reife von unreifen Köpfen zu unterscheiden.

 

Zusatzgeräte für alle Gemüsesorten

Der VitaPanther soll nicht der einzige Ableger des Spargelpanthers bleiben. „Später könnten dann noch andere Ernteeinheiten für weitere Gemüsesorten dazukommen«, sagt Christian Bornstein, Geschäftsführer der ai-solution. “Unser Ziel ist es, ein Modul zu bauen, das man an das vorhandene Gerät adaptieren kann.“ Der Landwirt käme dann mit einem einzigen Gemüseernter aus. 2017 soll der VitaPanther auf den Markt kommen.

 

Mit Drohnen Felder düngen und mit Roboter Unkraut vernichten

Smarte Technologien halten verstärkt Einzug in die Bewirtschaftung von Feldern. So hat ein chinesisches Unternehmendie weltweit erste Drohne für den Einsatz auf dem Acker entwickelt. 15.000 Dollar soll sie kosten und dennoch ein Renner werden.

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Agras MG-1: Die Drohne des chinesischen Hersteller DJI versorgt Äcker mit Flüssigdünger, Unkrautvernichtungsmitteln und Pilzhemmern.

Foto: DJI

Und in Die Maschine namens Bonirob verfügt über ein hoch spezialisiertes Bilderkennungssystem, das zuverlässig zwischen Nutzpflanzen und Unkraut unterscheidet. Das muss dem Roboter erst mal beigebracht werden, was eine aufwändige Angelegenheit ist.

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Bonirob bei der Arbeit auf dem Feld: Die Maschine kann zwischen Nutzpflanzen und Unkraut unterscheiden. Letzteres wird zielsicher vernichtet.

Foto: Deepfield Robotics

Von Wolfgang Kempkens

 

Quelle: http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Agrartechnik/Wie-Erntemaschine-reifen-jungem-Blumenkohl-unterscheidet vom 02.05.2016