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09.08.2013

Mikrofluidik-Chip misst Düngebedarf des Bodens


An der TU Wien wurde ein Chip entwickelt, der genau misst, welche Nährstoffe der Boden braucht. So vermeidet man Überdüngung, schont die Umwelt und spart Kosten.

Woher weiß man, ob ein Feld Düngemittel benötigt? Meist wird heute gedüngt, ohne den genauen Nährstoffbedarf des Bodens zu kennen - diese Vorgehensweise kostet allerdings unnötig Geld und schadet der Umwelt. An der TU Wien werden daher nun im Rahmen des EU-Projekts OPTIFERT Chips hergestellt, die innerhalb von Minuten Auskunft über den Nährstoffgehalt des Bodens geben können. So kann man dem Boden genau die Stoffe zuführen, die er auch wirklich braucht.

Haben meine Pflanzen Hunger?

Das wichtigste Düngemittel, das heute in der Landwirtschaft verwendet wird, ist Nitrat. "Gerade dieser Stickstoffdünger ist im Boden sehr mobil", sagt Martin Smolka vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. Nitrat kann vom Regen ausgespült werden oder in tiefere Schichten wandern - wie viel Nitrat tatsächlich den Pflanzen gerade zur Verfügung steht, ist schwer einzuschätzen. Auch andere Stoffe - etwa Kalium, Phosphat oder Ammonium - werden dem Boden mit Düngern zugeführt.

Bisher hätte man Bodenproben entnehmen und im Labor genau untersuchen müssen, um den Düngemittelbedarf des Bodens zu messen. In Zukunft wird es genügen, einen halben Teelöffel Erde mit Wasser zu spülen und die Lösung mit einem kleinen Spezial-Chip zu untersuchen, der an der TU Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Bremen entwickelt wurde. Die Idee, chemische Analyse vom Labor auf einen speziell dafür hergestellten Chip zu verlegen, spielt unter dem Schlagwort "Lab on a Chip" in der Industrie heute eine immer wichtigere Rolle.

Unterschiedliche Wander-Geschwindigkeiten

Die gefilterte Lösung kommt zunächst in eine Kapillare, an die eine hohe elektrische Spannung angelegt wird. Viele der gelösten chemischen Bestandteile sind elektrisch geladen - sie beginnen sich dann im elektrischen Feld zu bewegen.

Jede Molekül-Sorte bewegt sich mit individueller Geschwindigkeit durch die Flüssigkeit, je nach Molekülgröße und Ladung. Dadurch trennen sich die verschiedenen Inhaltsstoffe der Flüssigkeit auf. Zu unterschiedlichen Zeitpunkten bewegen sich die unterschiedlichen gelösten Stoffe in der Kapillare an jenem Punkt vorbei, an dem sie vom Chip registriert werden. Aus ihrem Ankunftszeitpunkt kann man ableiten, um welche Chemikalien es sich handelt.

Diese Technologie wurde an der TU speziell für die Anwendung in der Agrartechnologie adaptiert. So wurde etwa eine neuartige Methode entwickelt, die Probe in die Kapillaren des Chips zu injizieren. Diese Methode funktioniert auch bei Anwendung am Feld zuverlässig und ist auch für Anwender ohne Laborausbildung bedienbar.

Kosten sparen, Umwelt schonen

Dieses Mikrofluidik-Chip-Prinzip funktioniert bereits sehr gut, nun soll noch die Benutzerfreundlichkeit verbessert werden. "Derzeit braucht man noch ein gutes fachmännisches Auge, um die Daten zuverlässig auswerten zu können", meint Martin Smolka. "Wir arbeiten daran, das System noch einfacher und alltagstauglicher zu machen." Smolka rechnet damit, dass der Chip in den nächsten Jahren kommerziell verfügbar sein wird. Aus Österreich sind die Firmen Integrated Microsystems Austria GmbH (Wiener Neustadt) und Pessl Instruments GmbH (Weiz) in die Sensorentwicklung involviert.

Die Mikrochip-Sensorik entwickelte die TU Wien im Rahmen des EU-Projektes OPTIFERT, an dem sowohl Universitäten als auch Industriepartner beteiligt sind. Es soll dazu beitragen, die Überdüngung von Ackerland zu verhindern. Gerade die Düngung mit Nitrat kann zur Bedrohung für das Trinkwasser werden - mit Stickstoffdüngern maßvoll umzugehen ist daher ein wichtiges Ziel.

Quelle: Technische Universität Wien/Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme




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