Mikrochip stoppt Überdüngung 25.10.2013, 15:12 Uhr

Landwirte schützen Grundwasser mit neuem Taschenlabor

Düngemittel gefährden die Qualität des Grundwassers. Mit einem neuen Mikrochip können Landwirte den Nährstoffgehalt ihres Ackerbodens in wenigen Minuten vor Ort analysieren und so Überdüngung vermeiden. 

Die Kanäle auf dem Chip sind mit Trägerflüssigkeit gefüllt. Drückt man eine Bodenprobe hinein, wandern Ionen durch ein elektrisches Feld. Anhand verschiedener Geschwindigkeiten kann man unterschiedliche Nährstoffe identifizieren. 

Die Kanäle auf dem Chip sind mit Trägerflüssigkeit gefüllt. Drückt man eine Bodenprobe hinein, wandern Ionen durch ein elektrisches Feld. Anhand verschiedener Geschwindigkeiten kann man unterschiedliche Nährstoffe identifizieren. 

Foto: ttz Bremerhaven

Eines der großen Probleme unserer Zeit ist die Überdüngung von Böden. Sie führt zu einem erhöhten Nitratgehalt in Grundwasser, Flüssen und küstennahen Gewässern und kann die Gesundheit des Menschen gefährden.

Weil Landwirte nicht genau wissen, wie viel Dünger ihr Boden wirklich braucht und sie die nötige Menge bisher nur durch teure und zeitaufwändige Laboruntersuchungen herausfinden konnten, führte die meist verwendete Strategie „Viel hilft viel“ zu einer Überdüngung der Felder.

Jetzt kommt das Chemielabor auf den Acker

Dieses Problem soll jetzt ein kleiner Spezialchip aus dem EU-Projekt OPTIFERT lösen: Der Mikrofluidik-Chip kann eine aufwändige und teure Laboruntersuchung vollständig ersetzen. Er ist mit 16×26 Millimetern so klein, dass man ihn in die Hosentasche stecken kann, und braucht zur Analyse des Düngergehalts eines Teelöffels Ackerboden nur vier Minuten.

Anhand des festgestellten Nährstoffgehaltes des Bodens kann der Landwirt ihm dann gezielt den zusätzlich benötigten Dünger in genau der Menge zuführen, die die Pflanzen für ein optimales Wachstum brauchen. Stickstoff in Form von Nitrat ist dabei der wichtigste Dünger der Landwirtschaft. Im Boden ist er ziemlich mobil und wandert in tiefere Schichten ab oder wird herausgespült, so dass sich nur durch Messung des Stickstoffanteils verlässlich feststellen lässt, wie viel Stickstoff noch im Boden vorhanden ist.

Bodenproben werden innerhalb von Minuten analysiert

Hauptbestandteil des Mikrofluidik-Chips ist ein Kanal, der mit einer Trägerflüssigkeit gefüllt ist und in den man die Bodenprobe hineindrückt. Dadurch gerät der Stickstoff in Form von Molekülen der einzelnen Nitrate – chemisch gesehen elektrisch nicht neutrale Ionen – in die Trägerflüssigkeit.

Ein zwischen Anfang und Ende dieses Kanals angelegtes elektrisches Feld zwingt die Ionen auf den Weg zum anderen Ende des Kanals. Dabei nutzen die Forscher den Effekt, dass Ionen den Kanal umso schneller durchtunneln können, je leichter und je stärker sie ionisiert sind. Anhand der Zeit, die sie für ihre Kanalwanderung brauchen, lässt sich feststellen, um welche Nährstoffe es sich genau handelt. „Damit können wir innerhalb von zwei Minuten vier bis fünf verschiedene Ionen messen“, erklärt einer der Forscher. „Die Idee ist, dass das Messsignal zusammen mit GPS-Daten zu einem zentralen System geschickt wird.“ Dann kann dieses den Dünger in korrekter Menge automatisch auftragen.

Es soll noch ein bis zwei Jahre dauern, bis Herstellung des Chips und Alltagstauglichkeit des Systems so weit verbessert sind, dass es kommerziell produziert und genutzt werden kann. Wenn es dann reif für den Einsatz ist, lässt sich die Überdüngung von Ackerland in großem Stil verhindern – zum Vorteil der Umwelt und der Geldbörse der Bauern.

Ein Beitrag von:

  • Klaus Ahrens

    Klaus Ahrens fühlt sich im Bereich Techniknews Zuhause. Vor allem die Bereiche Programmierung, Wissenschaft und Technik begeistern ihn.

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