Digitale Zwillinge für Kühltransporter

Damit Früchte nach der Ernte frisch bleiben, müssen sie auch während des Transports gleichmässig gekühlt werden. Das ist in der Praxis jedoch gar nicht so einfach, denn ein voll beladener Kühltransporter ist ein komplexes System: Kühle Luft muss zwischen dicht gestapelten Kartons und Paletten zirkulieren. Wie gut dies gelingt, hängt von der Strömungsgeschwindigkeit, der Verpackung und der Anordnung der Paletten ab. Häufig wird die Temperatur aber nur mit einem einzigen Sensor überwacht. Dieser zeichnet zwar eine Temperaturkurve über die gesamte Fahrt auf, misst aber nur an seinem Standort. Empa-Forschende wollen deshalb mit einem virtuellen Kühltransporter potenzielle Wärmenester und deren Einfluss auf die Lebensmittel sichtbar machen. «Unser digitaler Zwilling simuliert die Luftzirkulation und die Wärmeübertragung im gesamten Laderaum. So können wir abschätzen, welche Temperaturen an den verschiedenen Stellen der Ladung herrschen», sagt Empa-Forscherin Elisabeth Tobler.

Ein virtueller Kühltransporter

So bildeten die Empa-Forschenden etwa einen mit Orangen und Zitronen beladenen Kühltransporter digital nach. Das physikbasierte Modell berechnet, wie die Kühlluft durch die unterschiedlichen Verpackungen strömt und wie dabei Wärme zwischen Luft und Früchten übertragen wird. Dabei berücksichtigt es auch die Temperaturen der Früchte zu Beginn der Fahrt sowie die geringe Wärmemenge, die sie durch ihre Atmung selbst erzeugen. Um den digitalen Zwilling des Kühltransporters zu testen, speisten ihn die Forschenden mit realen Daten zur Beladung, zu den Ausgangstemperaturen und zur Kühlluft während der Fahrt. Dazu diente ein kommerzieller Transport von Nafplion in Griechenland nach Pratteln in der Schweiz. Die 31 Paletten mit Orangen und Zitronen wurden rund 24 Stunden vorgekühlt und anschliessend vier Tage bei einer Temperatur von vier bis sechs Grad transportiert.

Anschliessend verglichen die Forschenden die vom digitalen Zwilling berechneten Temperaturen mit den realen Messdaten. Bei der Verpackung der Früchte waren insgesamt 108 Sensoren an unterschiedlichen Stellen der Ladung platziert worden. 97 erfassten die Fruchttemperaturen, die übrigen unter anderem die Lufttemperatur sowie die Zu- und Rückluft des Kühlaggregats. «Für den digitalen Zwilling war dies ein anspruchsvoller Test», sagt Tobler. «Die Früchte waren zu Beginn nicht alle gleichmässig heruntergekühlt, und Orangen und Zitronen befanden sich in unterschiedlichen Verpackungen. Trotzdem konnte das Modell die wichtigsten Temperaturentwicklungen an den meisten Stellen gut wiedergeben.»

Warme Paletten beeinflussen die Ladung

Die Messungen machten aber auch einzelne Abweichungen sichtbar. Während der Fahrt erwärmten sich Orangen in der Mitte des Lastwagens stärker als vom Empa-Modell vorhergesagt: Ihre Temperatur stieg von rund 7,7 auf bis zu 10,8 Grad, obwohl die Kühlluft deutlich kälter war. «Wir vermuteten, dass sich neben den betroffenen, überwachten Paletten ungenügend vorgekühlte Paletten befanden, die nicht mit Sensoren versehen waren», erklärt Tobler.

In einer zweiten Berechnung erhöhten die Forschenden deshalb deren angenommene Ausgangstemperatur von rund 5,4 auf 10 Grad. Daraufhin stimmte die simulierte Temperaturentwicklung wesentlich besser mit den realen Messwerten überein. «In der Simulation konnten wir nachvollziehen, wie die Wärme von einer Palette zur nächsten übertragen und mit der Luftströmung weitertransportiert wurde. Damit stützte das Modell unsere Hypothese», so die Empa-Forscherin.

Zudem wurde ersichtlich, dass die Kühlanlage eines Lastwagens nur begrenzt in der Lage ist, bereits warme Früchte im Innern einer dicht beladenen Palette nachträglich herunterzukühlen. Kühlaggregate sind in erster Linie dazu ausgelegt, die Temperatur vorgekühlter Ware zu halten. Werden Früchte zu warm verladen, beeinflussen sie während des Transports auch benachbarte Paletten.

Eine entscheidende Rolle spielt zudem die Verpackung. Im untersuchten Transport verfügten die Zitronenkisten auf mehreren Seiten über Lüftungsöffnungen, während bei den Orangenkartons die kurzen Seiten geschlossen waren. «Bei einer Verpackung zählt nicht nur, wie sie aussieht oder wie stabil sie ist», sagt Tobler. «Sie muss auch Kühlluft zur Ware durchlassen. Ebenso wichtig ist, dass die Paletten gleichmässig ausgerichtet sind und die Öffnungen nicht durch benachbarte Kartons blockiert werden.»

Die gesamte Ladung im Blick

Der digitale Zwilling lässt sich zunächst als Simulationstool einsetzen. Logistikunternehmen und Produzenten könnten damit beispielsweise untersuchen, wie sich eine neue Verpackung, eine veränderte Palettenanordnung oder Luftzirkulation auf die Temperaturverteilung auswirkt. Besonders profitieren würden laut Elisabeth Tobler Unternehmen mit standardisierten Transporten, die regelmässig dieselben Lastwagen, Verpackungen und Beladungsmuster verwenden.

Künftig sollte das Modell auch Überwachungssysteme ergänzen. Dazu wird es mit realen Sensordaten aus einem laufenden Transport verbunden. Der Sensor liefert den Bezug zur Realität, während das Modell daraus die Bedingungen im gesamten Laderaum ableitet. «Viele der notwendigen Daten werden bereits erfasst. Entscheidend ist, sie am richtigen Ort und zum richtigen Zeitpunkt zusammenzuführen und zu nutzen», sagt Tobler. So würden Importeure bereits vor der Ankunft einer Lieferung erkennen, welche Paletten höheren Temperaturen ausgesetzt waren und genauer kontrolliert werden sollten. Ware mit voraussichtlich kürzerer Haltbarkeit könnte gezielt früher in den Verkauf gelangen. «Langfristig geht es um eine datenbasierte Überwachung der Lieferkette», ergänzt Empa-Forscher Thijs Defraeye. «Der digitale Zwilling soll nicht nur Temperaturen darstellen, sondern Unternehmen helfen, ihre Transporte und den Umgang mit der eintreffenden Ware gezielter zu steuern und dadurch Lebensmittelverluste zu reduzieren.»

Informationen
Prof. Dr. Thijs Defraeye
Biomimetic Membranes and Textiles
Tel. +41 58 765 4790
thijs.defraeye@empa.ch

Redaktion / Medienkontakt
Manuel Martin
Kommunikation
Tel. +41 58 765 44 54
redaktion@empa.ch