Dem Stickstoff auf der Spur – mit Lachgasmessungen

Der optimierte Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft ist ein vieldiskutiertes Thema. Da stickstoffbasierter Dünger als eine der Hauptquellen für Lachgas, einem Treibhausgas, identifiziert werden kann, ist es notwendig, zunächst die Ausgasung aus Böden besser zu verstehen.

Im Fraunhofer-Leitprojekt »Cognitive Agriculture« (kurz: »COGNAC«) for­schen neben dem Fraunhofer IESE weitere sieben Fraunhofer-Institute gemein­sam an Grundlagen, die dem Landwirt in einer digitalisierten Welt hohe Produkti­vität im Einklang mit weiteren Zielen wie Nachhaltigkeit oder Produktqualität er­möglichen. Unsere Gastautoren vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM präsentieren erste Ergebnisse eines »Lachgasmesssystems«.
Prof. Dr. Jürgen WöllensteinGastautor
Prof. Dr. Jürgen Wöllenstein
Abteilung Gas- und Prozesstechnologie
Fraunhofer IPM
Telefon: +49 761 8857-134

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Dominic WiedenmannGastautor
Dominic Wiedenmann
Abteilung Gas- und Prozesstechnologie
Fraunhofer IPM

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Distickstoffmonoxid (N2O), auch als Lachgas bekannt, ist eines der wichtigsten Treibhausgase. Die Landwirtschaft trägt weltweit in signifikanter Weise zum Ausstoß dieses Treibhausgases bei. Da stickstoffbasierter Dünger als eine der Hauptquellen für Lachgas identifiziert werden kann, ist es notwendig, die Menge an Dünger zu reduzieren und eine gezieltere Ausbringung zu fördern. Für dieses Vorhaben sind detaillierte Studien über die lokale Verteilung von Lachgasflüssen auf unterschiedlichen Böden notwendig, für die möglichst viele und genaue Feldmessungen der Lachgaskonzentration im Bereich nahe der natürlichen N2O-Hintergrundkonzentation in Luft (330 ppb) notwendig sind. Abstimmbare Laser-Absorptionsspektroskopie (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS) mit einem Quantenkaskadenlaser (QCL) ist eine innovative Technik für die hochgenaue Messung von sehr geringen N2O-Konzentrationen. Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts COGNAC entwickeln wir am Fraunhofer IPM in Freiburg ein kompaktes QCL-basiertes Messsystem für Feldmessungen von freigesetztem N2O aus dem Boden. Durch eine Langwegzelle mit 7,2 m optischem Weg wird eine hohe Empfindlichkeit erreicht. Die Auswertesoftware wird speziell auf den geforderten Konzentrationsbereich und potentiellen Querempfindlichkeiten ausgelegt. Im ersten Schritt wurde der entwickelte Grundaufbau des Systems in einem Laboraufbau charakterisiert. Hierfür wurden mit einer Sammelhaube erste Gasproben auf dem Feld genommen und im Labor ausgewertet (Abbildung 1).

Probennahme auf dem Feld. Links: Schematische Darstellung der Probennahme Rechts: Reale Probennahme auf dem Feld für Labormessungen
Abbildung 1: Probennahme auf dem Feld. Links: Schematische Darstellung der Probennahme Rechts: Reale Probennahme auf dem Feld für Labormessungen

Es konnte ein deutlicher Anstieg der Lachgaskonzentration nach der Dünung des Testfeldes gemessen werden (Abbildung 2).

Lachgaskonzentration nach der Dünung an verschiedenen Positionen auf einem Acker über die Zeit aufgetragen
Abbildung 2: Lachgaskonzentration nach der Dünung an verschiedenen Positionen auf einem Acker über die Zeit aufgetragen

Die Genauigkeit des Systems reicht aus um die auftretenden Lachgasflüsse zu detektieren. Aufbauend auf diesen ersten Ergebnissen wird das Laborsystem zu einem mobilen Messgerät weiterentwickelt, um zukünftig mit anderen Sensoren auf einem Feldroboter eingesetzt werden zu können. Der direkte Zusammenhang von Lachgasemission aus dem Boden und der verwendeten Düngemenge ist sehr komplex und hängt von vielen weiteren Parametern ab. Deshalb wird angestrebt, so viele Parameter wie möglich mit dem Messgerät zu erfassen oder über andere Sensoren zu gewinnen.

Dank eines mobilen Gerätes können Messungen deutlich effizienter durchgeführt werden. Aus diesem Grund kann eine signifikant höhere Anzahl an Feldmessungen über eine Wachstumsperiode und dementsprechend auch mehr Daten gewonnen werden. Dies ist notwendig, um Rückschlüsse auf Dünger, Boden, Feuchtigkeit und weitere Parameter ziehen zu können, mit dem Ziel eine effizientere Bodennutzung zu ermöglichen.

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