Waldhauptstadt Ilmenau: Smarte Wege für eine nachhaltige Forstwirtschaft

Herr Prof. Notni, obwohl der Waldzustandsbericht 2024 gezeigt hat, dass sich die Gesundheit der Bäume leicht verbessert hat, ist der Zustand unserer Wälder nach wie vor kritisch und sie haben sich noch nicht flächendeckend von den Extremwetterjahren ab 2018 erholt. Nur noch etwa 20 % der Bäume sind ohne sichtbare Kronenschäden. War das auch ein Grund, warum sich  so schnell so viele Partner in der 2021 gegründeten Initiative Holz-21-regio zusammengeschlossen haben, um Innovationen im Bereich Wald und Holz zu entwickeln?

Wir befinden uns mitten im Klimawandel – mit gravierenden Folgen für den Wald: Wetterextreme wie langanhaltende Trockenheit und Hitze und Schadstoffe stressen die Bäume und machen sie anfälliger für Schädlinge wie Borkenkäfer oder Pilze. Das führt zu viel Schadholz und verursacht hohe wirtschaftliche Schäden. Und das ist dramatisch, denn die deutschen Wälder – Bäume, Totholz und Böden – sind zentrale Kohlenstoffspeicher und damit sehr wichtig für den Klimaschutz. 

Der Klimawandel trifft unsere gesamte Gesellschaft, hier müssen wir in wesentlichen Bereichen umsteuern.

Holzprodukte zum Beispiel verlängern die Speicherwirkung und können als Baustoffe klimaschädliche Materialien wie Stahl oder Zement ersetzen. Dort, wo Holz geerntet wird, können wir wiederum neue, junge Bäume anpflanzen, die während ihres Wachstums neu CO₂ binden und speichern.

Es ist also absolut wichtig, unsere Wälder an den Klimawandel anzupassen, ihre Resilienz zu stärken und sie nachhaltig zu bewirtschaften. Das heißt zum Beispiel auch neue Verwendungsmöglichkeiten für Schadholz zu finden, Holz richtig zu transportieren und zu lagern, damit es möglichst lange in guter Qualität erhalten bleibt, und Holzflüsse und Lieferketten effizienter zu überwachen und zu steuern. 

Indem wir unser Holz regional nutzen, reduzieren wir in Zeiten geopolitischer Krisen nicht zuletzt auch unsere Abhängigkeiten von globalen Lieferketten. 

Wie passen all diese Themen zu einer Technischen Universität? Welche Impulse kann die Forschung an der TU Ilmenau setzen, um all diese Fragen zu adressieren? 

Als Ingenieure müssen wir natürlich erstmal den Wald verstehen, weshalb wir in der Initiative ja nicht alleine, sondern ganz eng mit der FH Erfurt zusammenarbeiten und zunächst viele Informationen gesammelt haben, um technische Neuerungen für den Wald zu planen: besondere Kamerasysteme, wie wir sie an unserem Fachgebiet entwickeln und die uns „in" Bäume schauen lassen, ohne dass wir sie dafür beschädigen müssen, oder aus der Ferne messen können, wie schnell und in welche Richtung Bäume wachsen. Aber auch Automatisierungstechnologien mit robotischen Plattformen, die bei forstwirtschaftlichen Aufgaben unterstützen könnten. 

Um solche Plattformen, beispielsweise mit einem Tablet, zu steuern, muss wiederum die Kommunikation zwischen Plattform und Tablet auch unter schwierigen Bedingungen im Wald funktionieren, wo es ja oft genug Funklöcher gibt. Das heißt ich brauche auch geeignete energieeffiziente Funktechnologien. 

Das Ganze ist also ein Thema, das wir hier an der TU Ilmenau fakultätsübergreifend angehen können. Selbst die Thermodynamik kommt hier ins Spiel: Denn wenn irgendwo Hochstubben stehen, die für Vögel als „Aussichtspunkt“ oder als Schutz für Jungpflanzen dienen, kann ich, indem ich die Strömungs- und Temperaturverteilung um den Stubben herum analysiere, den optimalen Einpflanzpunkt für meine Jungpflanze identifizieren, indem ich untersuche: Wo sammelt sich die meiste Feuchtigkeit? Wo wird die Pflanze vor Wind oder Sonne geschützt? Pflanze ich besser auf der West- oder auf der Nordseite? 

Für all dieses Fragen sind wir hier in Ilmenau das technologische Zentrum der Initiative und können unterschiedlichste Technologien bereitstellen – von Sensorik und Automatisierungstechnologien über Biomechatronik, Fertigungstechnik und Leichtbau bis hin zu Funktechnologien und Anwendungen Künstlicher Intelligenz (KI). 

Aber auch wirtschaftliche Expertise, beispielsweise um zu erreichen, dass wir die Wertschöpfung für Holzprodukte so weit wie möglich in Thüringen halten, und die Kommunikationswissenschaft. So sollen zum Beispiel im Projekt Walddoktor nicht nur mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz Waldschäden automatisch erkannt werden, sondern es werden auch Bildungsangebote und Kommunikationsstrategien entwickelt, um die Menschen über die Situation unserer Wälder zu informieren. An unserer Universität und zusammen mit unseren Partnern wie zum Beispiel auch dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena können wir all diese Fragen zusammendenken. 

Inwiefern eignet sich der Thüringer Wald besonders gut für diese Forschungen?

Der Wald liegt nicht nur quasi direkt vor unserer Tür. Ilmenau und der Thüringer Wald sind auch aus einem weiteren Grund ideal für diese Forschungen: 

Wir können hier auf unseren Versuchsfeldern verschiedene klimatische Bedingungen simulieren. 

Wir haben nicht nur in Cursdorf eine Praxisfläche, die übrigens komplett ohne externe Stromversorgung auskommt und auf der sich über eine Webcam jeder anschauen kann, was passiert. Auch die FH Erfurt hat weitere sechs Versuchsfelder entlang des Rennsteigs, wo verschiedene Bäume gepflanzt und unterschiedliche klimatische und Bodenbedingungen simuliert werden können: Nordhang, Südhang und so weiter. 

Viele Menschen könnten Sorge haben, dass Maschinen und Roboter „den Wald übernehmen“. Welche Arbeitsprozesse im Waldumbau lassen sich tatsächlich automatisieren – und welche werden auch in Zukunft den Menschen brauchen?

Wir haben seit Jahren etablierte Werkzeuge, mit denen die Waldarbeiter ihre Pflegearbeiten durchführen – Sensen, Scheren… 

Wir wollen nicht die Werkzeuge neu entwickeln, sondern die Plattform zum Handling dieser Werkzeuge bereitstellen und ein modulares Konzept entwickeln, damit Teile dieser Arbeiten automatisiert übernommen werden können, um damit die Mammutaufgabe Waldumbau zu unterstützen. 

Und wenn es nur einzelne Arbeitsschritte sind: ein Pflanzloch bohren, den Setzling einsetzen, die Erde andrücken – und später vielleicht auch die Baumpflege, also das Freischneiden der Bäume, damit sie qualifiziert weiterwachsen können. Schon wenn ein robotisches System einfach nur alle Pflanzen zu den Pflanzlöchern trägt, unterstützt und entlastet das die Waldarbeiter. 

Welche Arbeiten könnten noch automatisiert werden?

Aktuell wissen wir noch nicht, welche Schritte wirklich sinnvoll automatisierbar sind und wie aufwändig das ist. In alldem stecken extrem viele Prozesse drin, die wir zwar aus der Industrie kennen. Die große Aufgabe ist es aber, diese Dinge an die Natur anzupassen. Industrieteile kann man relativ einfach greifen. Eine Pflanze zu greifen, ist etwas ganz anderes. Jede ist anders, biegsam und empfindlich. Wir haben eine Vision. Aber das Ganze muss natürlich auch effizient sein. 

Klar ist aber schon jetzt: Hinter all dem, was wir erforschen und entwickeln, steht immer der Mensch – mindestens für die Planung der notwendigen Arbeiten. 

Wo muss was wann gemacht werden? Um diese Informationen weiterzugeben, werden wiederum Digitalisierungstechnologien benötigt: Flächen müssen dreidimensional aufgenommen, 3D-Karten erzeugt und in die Robotikplattform geladen werden, damit der Roboter den Weg planen kann und weiß, welche Arbeiten er wann und wie ausführen muss. 

Welche besonderen Herausforderungen stellen sich für den Einsatz solcher Technologien im Wald? 

Das sind zum einen die bereits erwähnten Hanglagen, denn natürlich müssen die Roboter auch entsprechende Steilheiten schaffen. Bei Mährobotern zum Beispiel ist aktuell meistens bei 35 Grad Schluss. Aber auch der sensible Bereich um die Pflanzen herum und wechselnde Bodenverhältnisse spielen eine Rolle: Wurzeln, Felsen, kleine Gräben oder Äste liegen im Weg. Ein reines Radfahrzeug bleibt da schnell stecken. Ein Roboter mit Beinen wiederum kann zwar klettern, verbraucht aber viel Energie. Und das ist nicht nur für den Waldarbeiter ungünstig, der dann zum Beispiel ständig den Akku wechseln müsste, sondern auch für die Umwelt. Deshalb kommen zum Beispiel unsere Kollegen aus der Biomechatronik um Prof. Hartmut Witte mit ihren Wheg-Robotern ins Spiel, die eine Kombination aus Rad- und Beinartigen Strukturen darstellen. Aber auch die Sensorik muss sehr robust sein. Wir sind schließlich in der Natur bei Sonne, Wind und Regen.

Inwiefern werden in diesen Projekten außer dem Energieverbrauch auch andere ökologische Aspekte berücksichtigt?

Wir wollen uns perspektivisch zum Beispiel auch anschauen, ob sich in den Gebieten, in denen wir Pflanzungen vornehmen, invasive Arten ausbreiten, die dann bei der Pflege gezielt entfernt werden müssten. Das heißt wir wollen mit Hilfe unserer Kamerasysteme vom Forstfahrzeug aus in den Wald hineinschauen und mit Hilfe von KI herausfinden, ob sich dort irgendetwas angesiedelt hat und was genau – und das automatisiert, damit der Förster nicht mehr alles ablaufen muss. Hier wiederum kommen auch unsere Kollegen aus dem Fachgebiet Data-intensive Systems and Visualization um Prof. Patrick Mäder ins Spiel.

Sie selbst und Ihre Kollegen entwickeln auch Technologien, um unsichtbare Zustände von Holzbauelementen sichtbar zu machen, da Holz, wie Sie sagten, ja auch beim Hausbau CO₂-intensive Materialien wie Beton und Stahl ersetzen kann.

Ja, und würde ich heute nochmal ein Haus bauen, würde ich es auf jeden Fall aus Holz bauen! 

Holz ist ein nachwachsender Rohstoff, und das wichtigste, wenn wir Holz verwenden ist, dass es so spät wie möglich in seinem Nutzungszyklus verbrannt wird. 

Deswegen bin ich übrigens auch kein Freund von Pelletheizungen. Das heißt auch beim Bauen geht es darum, möglichst langlebige Holzgebäude zum Beispiel aus Brettsperrhölzern zu bauen, die auch mit den regionalen Klimabedingungen klarkommen – mit Starkregen, Schnee und Sonne. Deshalb entwickeln wir in einem neuen Projekt Sensoren, die in die Holzbauelemente integriert werden, um die optimalen Betriebsparameter herauszufinden und bei den eingesetzten Materialien ein Optimum an Performance zu erreichen. Dabei sollen natürlich auch die Sensoren selbst extrem energieeffizient, klein und kompakt sein. 

An vielen dieser Projekte arbeiten auch Studierende oder junge Menschen im Freiwilligen Jahr der Nachhaltigkeit mit – also mitten zwischen Grundlagenforschung, Hightech und Nachhaltigkeit.

Tatsächlich bekommen wir nahezu täglich Anfragen für Master- und Bachelorarbeiten. Die jungen Leute sind definitiv interessiert an der Thematik und haben schon unterschiedlichste Fragestellungen bearbeitet: Untersuchungsreihen mit unseren Multispektralkameras oder die Frage, bis zu welcher Steilheit ein Roboter einen Berg hochlaufen kann, wie man ihn ansteuern muss und vieles mehr. 

Inwiefern können Ihre Projekte und die Initiative Holz-21 regio als Modell für andere waldreiche Regionen Deutschlands oder Europas dienen?

Genau das ist unser Ziel: 

Wir wollen eine Modellregion für nachhaltige und resiliente Wertschöpfungsketten auf Basis unseres heimischen Rohstoffs Holz werden - für ganz Europa. 

Wobei wir beispielsweise aber auch von anderen europäischen Ländern wie Österreich oder Slowenien noch viel lernen können. 

Wenn wir in zehn Jahren wieder sprechen: Wie könnte der Thüringer Wald dann aussehen – und welchen Beitrag leisten Ihre Systeme dazu?

Ich stelle mir vor, dass in zehn Jahren tatsächlich auch humanoide Roboter bei gewissen Forstarbeiten für eine nachhaltige Waldbewirtschaftung unterstützen und der Waldarbeiter nicht mehr alles selbst machen muss. Bis dahin wollen wir in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen wie dem Fraunhofer IDMT unsere Technologien um andere Sensorsysteme erweitert haben, beispielsweise um mit akustischen Sensoren auch die Borkenkäferausbreitung zu stoppen.

Könnte Ilmenau also in Zukunft nicht nur Waldhauptstadt, sondern auch eine Art Technologiehauptstadt für Waldrobotik werden?

Ja – warum nicht?