So lässt sich Hilfe von KI der Methanausstoß von Kühen verringern

Die Viehwirtschaft steht seit Jahren im Fokus der Klimadebatte, da sie erheblich zur globalen Erwärmung beiträgt. Ein großer Teil der Emissionen stammt aus Methan, das Kühe bei der Verdauung freisetzen. Methan ist ein besonders potentes Treibhausgas: Seine Wirkung auf das Klima ist etwa 25-mal stärker als die von Kohlendioxid (CO₂).

Studien zeigen, dass rund 7 % der gesamten Treibhausgasemissionen in Deutschland aus der Tierhaltung stammen. Eine neue Forschung des US-Landwirtschaftsministeriums (ARS) und der Iowa State University (ISU) zeigt, wie Künstliche Intelligenz (KI) helfen könnte, diese Emissionen deutlich zu reduzieren. Doch wie genau soll das funktionieren?

Wie entstehen die Methanemissionen bei Kühen?

Kühe sind Wiederkäuer und haben ein hoch spezialisiertes Verdauungssystem. Der größte der vier Magenabschnitte ist der Pansen, in dem Mikroorganismen faserreiches Futter wie Gras oder Heu zersetzen. Dieser Prozess führt zur Produktion von Methan, das die Tiere hauptsächlich durch Rülpsen abgeben. Der Fachmann spricht hier von enterischer Fermentation. Allein die Verdauung eines einzigen Tieres kann pro Jahr etwa 100 Kilogramm Methan freisetzen.

Methan entsteht aber nicht nur im Magen der Kühe. Auch beim Abbau von Gülle und Mist werden große Mengen dieses Treibhausgases freigesetzt. Solche Emissionen sind ein Nebeneffekt der traditionellen Landwirtschaft, der jedoch durch moderne Technologien reduziert werden kann. Bislang waren die Methoden jedoch oft entweder zu teuer oder hatten andere Nachteile, die eine breite Anwendung verhinderten.

Herausforderungen der Methanforschung

Die Forschung zur Reduzierung von Methanemissionen steht vor mehreren Hürden. Einerseits sind die chemischen Prozesse im Pansen komplex und schwer vorherzusagen. Andererseits ist es teuer und zeitaufwendig, neue Substanzen zu entwickeln und ihre Wirkung im Labor oder direkt an Tieren zu testen.

Bromoform, ein Molekül, das in Meeresalgen vorkommt, hat zwar gezeigt, dass es Methanemissionen um bis zu 98 % reduzieren kann, ist jedoch giftig und daher für die Tierhaltung ungeeignet. Hier kommt KI ins Spiel.

Wie kann KI helfen?

Künstliche Intelligenz ermöglicht es, die Forschung erheblich zu beschleunigen. Forschende der ARS und der ISU kombinieren molekulare Simulationen mit maschinellem Lernen, um Moleküle zu finden, die wie Bromoform wirken, aber sicher und praktikabel sind. Diese generative KI analysiert große Mengen an Daten, die zuvor aus Studien über die chemischen Prozesse im Pansen gesammelt wurden. Ziel ist es, mögliche Hemmstoffe der Methanproduktion zu identifizieren und deren Wirkung vorab am Computer zu testen.

Matthew Beck, ein Forscher, der an der Studie beteiligt war, erklärt: „Wir nutzen fortschrittliche molekulare Simulationen und KI, um neue Methanhemmer zu identifizieren, die auf den Eigenschaften zuvor untersuchter Hemmer wie Bromoform basieren, aber sicher und skalierbar sind.“ Diese innovative Methode spart nicht nur Zeit, sondern auch erhebliche Kosten.

Fortschritt durch graphische neuronale Netzwerke

Das Team setzt auf graphische neuronale Netzwerke, eine spezielle Form des maschinellen Lernens, die komplexe Datenstrukturen analysieren kann. Diese Netzwerke untersuchen die chemischen Eigenschaften von Molekülen bis auf atomare Ebene. Laut Ratul Chowdhury, Assistenzprofessor an der ISU, werden so die biochemischen Fingerabdrücke der Moleküle analysiert. Ziel ist es, jene Moleküle zu finden, die Methan effizient hemmen können.

Chowdhury erklärt: „Unser graphisches neuronales Netzwerk speichert nützliche Informationen über die Eigenschaften der Moleküle, um ihr Verhalten im Kuhmagen zu untersuchen. Diese Modelle helfen uns, präzisere Vorhersagen zu treffen und vielversprechende Kandidaten zu identifizieren.“

Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend. Das Team identifizierte 15 Moleküle, die ähnliche Eigenschaften wie Bromoform aufweisen, aber nicht toxisch sind. Diese Moleküle werden derzeit in Labors weiter untersucht, um ihre Eignung für die Praxis zu prüfen.

Der Einfluss von KI auf die Landwirtschaft

Die Bedeutung von KI in der Landwirtschaft nimmt stetig zu. In der Methanforschung ermöglicht sie, Millionen von möglichen Molekülen zu analysieren und potenzielle Kandidaten schnell einzugrenzen. Jacek Koziel, Forschungsleiter bei ARS, sagt: „Die Kombination von KI mit Laborforschung ist ein wertvolles wissenschaftliches Werkzeug. Sie beschleunigt die Forschung erheblich und bietet neue Möglichkeiten, Emissionen zu reduzieren.“

Darüber hinaus könnten die durch KI identifizierten Moleküle nicht nur für Rinder, sondern auch für andere Wiederkäuer wie Schafe oder Ziegen von Nutzen sein. Dies würde die Reichweite der Forschung erheblich erweitern und den globalen Einfluss auf die Treibhausgasemissionen verstärken.

Weitere Strategien zur Methanreduktion

Neben der KI-gestützten Forschung gibt es bereits andere Methoden, um Methanemissionen zu verringern:

• Fütterungszusätze: Bestimmte Algen oder pflanzliche Zusatzstoffe können die Methanbildung im Pansen hemmen. Diese Ansätze befinden sich jedoch noch in der Entwicklung.
• Biogasanlagen: Gülle und Mist können in Biogasanlagen vergoren werden, um Methan aufzufangen und in Energie umzuwandeln. Diese Methode ist besonders in der EU weit verbreitet.
• Effizientere Zucht: Durch genetische Selektion können Kühe gezüchtet werden, die weniger Methan produzieren.
• Optimierte Fütterung: Hochwertigeres Futter kann die Verdauung verbessern und die Methanproduktion verringern.

Methan ist für rund 16 % der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Die Landwirtschaft, insbesondere die Viehhaltung, spielt dabei eine zentrale Rolle. Fortschritte bei der Methanreduktion könnten daher erhebliche Auswirkungen auf den Klimaschutz haben. In Deutschland wurden die Methanemissionen seit 1990 um 24 % gesenkt, was vor allem auf effizientere Fütterung und Zucht zurückzuführen ist.

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