Sensoren messen Nitratgehalt im Ackerboden

Mit Sensoren bestückte Stange wird im Ackerboden eingegraben (Foto: Kuan-Yu, wisc.edu)

Madison (pte010/28.06.2024/11:30) - In den Ackerboden eingelassene Sensoren von Forschern der University of Wisconsin-Madison ( https://www.wisc.edu/ ) messen den Gehalt an Stickstoffdünger und ermöglichen es Landwirten, künftig ihre Gewinne zu verbessern und gleichzeitig die Umwelt zu entlasten. "Unsere Sensoren informieren die Landwirte exakt über das Nährstoffprofil ihrer Äcker und helfen ihnen, präzisere Entscheidungen darüber zu treffen, wie viel Dünger sie wirklich benötigen", so Forschungsleiter Joseph Andrews. In der Regel müssten sie dann weniger Dünger kaufen, was sich direkt auf die Gewinnsituation auswirke.

Dünger belastet das Wasser

Nitrat ist zwar ein wichtiger Nährstoff für den Anbau von Nutzpflanzen, doch überschüssiger Dünger wird ausgewaschen und landet im Grundwasser sowie in Fließgewässern und Seen. Grundwasser wird vielerorts als Rohstoff für Trinkwasser. Zurückbleibendes Nitrat ist gesundheitsschädlich. In Gewässern führt der Dünger zu übermäßigem Algenwachstum, sodass Sauerstoff entzogen wird. Im Extremfall sterben alle Wasserbewohner und das Gewässer kann zum Tümpel mit fauligen Algen werden.

Die derzeitigen Methoden zur Überwachung von Nitrat im Boden sind aufwendig, teuer und liefern keine Echtzeitdaten. Daher haben Andrews und sein Team eine bessere und weniger kostspielige Lösung entwickelt. Sie setzten ein Tintenstrahldruckverfahren zur Herstellung potentiometrischer Sensoren ein, die in der Regel zur genauen Messung von Nitrat in flüssigen Lösungen verwendet werden. Für den Einsatz in Ackerböden sind sie ungeeignet, weil sie in der rauen Umgebung schnell zerstört werden.

Kunststoff mit passenden Poren

Die Experten haben eine Schicht aus Polyvinylidenfluorid über den Sensor gelegt. Dieser Kunststoff zwei wichtige Eigenschaften: Sehr kleine Poren mit einem Durchmesser von rund 400 Nanometern, die Nitrat-Ionen passieren lassen, während sie Bodenpartikel abhalten. Zudem ist es hydrophil, das heißt, es zieht Wasser an und damit das darin gelöste Nitrat. Es gelangt auf die Oberfläche des Sensors, der aufgrund einer Änderung des elektrischen Widerstands den Nitratgehalt bestimmt.

Die US-Wissenschaftler haben jeweils drei Sensoren in unterschiedlichen Höhen an einer Stange befestigt, die sie in sandigen und lehmigen Böden versenkten, um den Düngergehalt in verschiedenen Bodentiefen zu erfassen. "Die Messwerte waren hervorragend", verdeutlicht Andrews abschließend.

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