Nicht nur Energie wird immer teurer, auch die Importpreise für Harnstoff, den weltweit meistgenutzten Stickstoffdünger, steigen an – zwischenzeitlich um mehr als 40 Prozent. Um wertvolle Ressourcen zu sparen, muss die Düngestrategie mit Stickstoff optimiert werden. Damit ließe sich auch die Umwelt schonen: Zwar ist Stickstoff ein wichtiger Nährstoff für Pflanzen, ein Überschuss im Boden führt jedoch zu einer hohen Nitratbelastung im Grundwasser. Mikrobiologische Prozesse im Boden wandeln den Stickstoff zudem in klimaschädliches Lachgas (N2O) um, das anschließend aus dem Boden in die Atmosphäre steigt.
Kostengünstige, mobile Messung auf dem Feld
Hohe Lachgas-Emissionen sind oft ein Hinweis auf zu intensive Düngung. Bislang ist die Bestimmung der Lachgas-Emissionen aus dem Boden jedoch sehr aufwändig und teuer. Stand der Technik ist das Sammeln von Gasproben auf dem Feld mit Messkammern. Die anschließende Analyse im Labor macht das Verfahren zeit- und kostenintensiv. Darüber hinaus gibt es zwar inzwischen andere Messverfahren, die die Bestimmung von Lachgas direkt auf dem Feld ermöglichen, aber auch diese sind sehr komplex und damit teuer.
An einer Lösung arbeiten Forschende am Fraunhofer IPM im Projekt ESKILA: »Wir entwickeln ein kompaktes, kostengünstiges Messsystem, das Lachgas-Emissionen, die auf dem Acker aus dem Boden strömen, mobil, schnell und direkt auf dem Feld bestimmen kann«, erklärt Gerrit Stiefvater, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPM. »Diese Informationen helfen bei der Modellierung von Bodenprozessen. Damit kann man eine bessere Aussage treffen, wie und in welchem Ausmaß der Boden auf Stickstoffdüngung reagiert, um am Ende die Düngemittelmenge zu optimieren.«
In Feldtests verteilte das Team zunächst an verschiedenen Stellen des Ackers Sammelhauben, die das aus dem Boden strömende Lachgas einfingen. Das aufkonzentrierte Gas wurde anschließend mittels einer Pumpe aus der Haube in die Messzelle eines etwa 5,5 Kilogramm schweren, kofferförmigen und tragbaren Messsystems befördert und dort gemessen.
Zum Einsatz kam dabei die resonante Photoakustik – ein hochempfindliches und einfach zu realisierendes Messverfahren. Anders als bei der klassischen Absorptionsspektroskopie wird hierbei nicht das Licht gemessen, welches absorbiert wird. Stattdessen dient ein Ton als Messsignal, der bei der Modulation der Laserwellenlänge entsteht: »In der Photoakustik fangen die Moleküle bei der Absorption an, sich wie wild zu bewegen, der Druck wird höher. Modulieren wir diesen Prozess, können wir ein akustisches Signal erzeugen«, erklärt Dr. Raimund Brunner, Gruppenleiter am Fraunhofer IPM. »Wir nutzen zudem die Messzelle als Resonator, was bei passender Modulationsfrequenz das Signal erheblich verstärkt. Dies ermöglicht hohe Empfindlichkeit bei kompakter Bauform.« Für die Aufnahme verwendeten die Forscher ein einfaches MEMS-Mikrofon, das etwa in Smartphones verbaut ist. »Je mehr Lachgas in der Zelle ist, desto stärker ist das Mikrofonsignal. Über die Lautstärke des Tons können wir also indirekt messen, wie viel Lachgas sich in der Messzelle befindet.«
Besonders herausfordernd bei den Messungen sind die Umweltbedingungen in der Landwirtschaft, vor allem die Feuchtigkeit des Bodens variiert stark. Um diese in der Messzelle konstant zu halten, integrierte das Team ein extra Befeuchtungssystem. Nur so können zuverlässige Daten garantiert werden. Ein wechselnder Feuchtigkeitsgrad des Messgases würde in der Photoakustik andernfalls Probleme bereiten.
Klima und Umwelt profitieren von angepasster Düngung
Mit dem im Projekt entwickelten Messsystem steht nun erstmals ein kompaktes, feldfähiges Setup zur Verfügung, mit dem sich Düngeeffizienz und Klimawirkung verschiedener Ausbringungsstrategien systematisch und direkt auf dem Feld untersuchen lassen. Besonders interessant hierbei ist ein Vergleich zwischen konventioneller, breitwürfiger Düngung und einer speziellen Depotdüngung, bei der Dünger gezielt in einer Tiefe von bis zu 20 Zentimeter im Boden platziert wird. Die Depotdüngung verspricht – gemeinsam mit einer optimierten Düngemenge – nicht nur eine Reduzierung von N2O-Emissionen, auch der Pflanzenertrag soll damit gesteigert werden.
Das photoakustische Messprinzip ist dabei nicht auf Lachgas beschränkt — prinzipiell lässt sich das System auch für den Nachweis anderer landwirtschaftlich relevanter Gase wie Ammoniak (NH₃) oder Kohlendioxid (CO₂) auslegen. Das eröffnet ein breites Spektrum für zukünftige Anwendungen in einer klimabewussten Landwirtschaft.
Fraunhofer-Gesellschaft