Chip für Präzisions-Düngung
Lab-on-a-Chip kann Nährstoffgehalt des Bodens in wenigen Minuten analysieren.
Stickstoff ist ein wichtiger Grundbaustein für eine gesunde Pflanzenentwicklung in der Landwirtschaft. Der Bedarf an stickstoffhaltige Düngemittel auf einer bestimmten Fläche ist aber oft nicht genau bekannt und bisher nur durch Laboruntersuchungen festzustellen. Daher kann es passieren, dass Felder überdüngt werden, weil die Landwirte nicht genau wissen, wie viel Düngemittel der Boden tatsächlich benötigt. So können in einigen Gebieten erhöhte Nitratwerte in Grundwasser, Flüssen oder Küstengewässer entstehen. Hier gibt es jetzt eine interessante Lösung: Mit Hilfe eines Chips lässt sich der Nährstoffgehalt des Bodens binnen weniger Minuten bestimmen.
Abb.: Mikrofluidik-Chip für Bodennährstoff-Messungen. (Bild: MCB)
Danach kann man dem Boden gezielt die Nährstoffe zuführen, die er benötigt. Der Mikrochip ist aus dem EU-Projekt OPTIFERT von Wissenschaftlern der Universität Bremen und TU Wien unter Beteiligung weiterer Hochschulen und Industriepartner entstanden.
Das wichtigste Düngemittel in der Landwirtschaft ist Nitrat. Im Boden ist es sehr mobil, es wandert in tiefere Schichten oder wird ausgespült. Deshalb ist es sehr schwer einzuschätzen, wie viel Dünger den Ackerpflanzen zur Verfügung steht. Bisher waren Laboruntersuchungen erforderlich, um den Düngemittelbedarf des Bodens festzustellen. Jetzt übernimmt der kleine Spezial-Chip diese Untersuchung.
Ein halber Teelöffel der zu untersuchenden Erde wird mit Wasser ausgespült und gefiltert. Die Flüssigkeit kommt dann in eine Kapillare, die unter elektrischer Spannung steht. In dem elektrischen Feld bewegen sich die einzelnen chemischen Bestandteile der Lösung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Der Chip registriert die unterschiedliche Beweglichkeit der Moleküle und kann daraus die chemische Zusammensetzung des Nährstoffgehaltes des Bodens ableiten.
„Der Sensorchip ist zudem mit dem GPS verbunden, so dass der Ort der Bodenprobe und das Untersuchungsergebnis sehr genau zugeordnet werden können“, erläutert Projekt-Leiter Michael Vellekoop vom Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme am Fachbereich Physik / Elektrotechnik der Universität Bremen. „Das erlaubt eine extrem gezielte Düngung des Ackers. Wir sprechen in dem Zusammenhang vom „Precision Farming“. Das Ausbringen der mit dem Chip ermittelten Düngermenge erfolgt dann durch eine kombinierte Dünge- und Bewässerungsanlage, die das ttz Bremerhaven und die Firma Hydro-Air aus Brandenburg entwickelt haben.
Die Methode hat sich im Feldversuch bereits bewährt. Jetzt geht es darum, die Alltagstauglichkeit zu verbessern. „Die Mikrosystemtechnik erlaubt geringe Produktionskosten für den Chip, so dass auch die Kosten für die Bodenuntersuchungen niedrig sind“, erläutert Kai Burdorf, Koordinator des Microsystems Center Bremen (MCB), dessen Aufgabe es ist, Unternehmen die Vorteile und Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik aufzuzeigen. Wenn der Chip in einigen Jahren kommerziell hergestellt wird, lässt sich Überdüngung des Ackerlandes in großem Stil verhindern – gut für die Umwelt und gut für den Geldbeutel des Landwirtes.
U. Bremen / PH
