00:11 12 Juli 2020
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    Seit einigen Monaten rollen immer wieder Traktoren durch deutsche Städte. Damit drücken Ackerwirte ihren Frust über Verordnungen, Einschränkungen, Dokumentationspflichten aus. Diese sind wiederum aber auch nicht aus der Luft gegriffen. Denn von offiziellen deutschen Messstellen wurden vielerorts überhöhte Nitratwerte im Grundwasser gemeldet.

    Deutschland ist demnach in Sachen Wasserqualität kurzerhand auf den vorletzten Platz in der EU gerutscht – und satte Strafen sind zu erwarten.

    Alles Quatsch, sagen die Ackerwirte, das Messnetz ist schuld, es misst nämlich nur an belasteten Stellen, und für die Belastung an diesen Stellen ist überdies gar nicht die Landwirtschaft verantwortlich. Die Fronten sind verhärtet, die Schuld sieht man beim jeweils anderen.

    Nitratmessungen in Echtzeit werden möglich

    Eine Antwort in solchen Streitfällen könnte in Zukunft ein Sensor vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) liefern. „Unser Sensor bietet den Vorteil, dass man Messungen in Echtzeit und vor Ort direkt durchführen kann“, erklärt Michael Jank vom Fraunhofer IISB im Gespräch mit Sputnik. Denn die Landwirte bestimmen für gewöhnlich mehrmals jährlich den Nährstoffgehalt des Bodens, um ihren Düngebedarf zu reduzieren. In Gebieten, in denen das Grundwasser stark mit Nitrat belastet ist, müssen sie nach der Düngeverordnung oft zusätzliche Messungen vornehmen.

    Das typische Vorgehen ist, eine repräsentative Bodenprobe zu entnehmen, diese fachgerecht zu kühlen und in ein Prüflabor zu schicken, wo diese analysiert wird. Wartezeit: eine bis zwei Wochen. Beim Nitratsensor dagegen werden die Daten direkt auf dem Feld gewonnen und können grundsätzlich unmittelbar weitergeleitet werden. So können am gemessenen Wert etwa die weitere Planung, Käufe und Maßnahmen ausgerichtet werden. Das Prüflabor selbst kann der Sensor allerdings wohl nicht ersetzen: „Referenzmessungen im Prüflabor sind wahrscheinlich weiterhin nötig, aber für das kontinuierliche Monitoring hat man ein neues Werkzeug, mit dem man schnell und unkompliziert zusätzliche Messdaten ermitteln kann“, so der Fraunhofer-Forscher.

    Je mehr Nitrat, desto höher die Spannung

    „Die Ionensensoren des Fraunhofer IISB funktionieren nach einem elektrochemischen Prinzip, der Potentiometrie“, erklärt Jank.

    „Dabei entsteht durch Anlagerung der Zielionen an die von uns entwickelte Membran eine elektrische Spannung. Diese wird verstärkt, digitalisiert und kann anschließend drahtlos oder drahtgebunden auf einen Rechner übertragen werden.“

    Für den Nitratsensor gilt also: Je mehr Nitrat in einer Boden- oder Wasserprobe enthalten ist, desto mehr lagert sich an der Membran an. Je mehr Nitrat an der Membran ist, umso höher fällt die Spannung aus und umso höher ist folglich auch der gemessene Wert.

    Neben der Membran verfügt der Sensor über eine Grundstruktur aus Leiterbahnen und Elektroden, die aus kommerziell erhältlichen Siebdruckpasten hergestellt werden. Diese Struktur ist einheitlich. Die Membran, die hier verankert ist, kann dagegen unterschiedlich ausfallen, je nachdem, welche Ionen in einer Probe gemessen werden sollen.

    Herstellungspreis unter zehn Euro

    In der Herstellung seien die neuen Sensoren günstig, Jank spricht von einem Herstellungspreis „deutlich unter zehn Euro pro Sensor“. Da der Sensor zudem wiederverwendet werden kann, fallen die Kosten pro Anwendung noch weiter.

    Solche Sensoren können nach dem Baukastenprinzip erweitert werden, sodass der Anwender mehrere Ionen-Arten gleichzeitig messen kann. Solche Kombisensoren können zum Beispiel bei der Prüfung der Wasserqualität oder bei Lebensmittelkontrollen eingesetzt werden.

    Elektrolythaushalt und Muskelbelastungen messen

    Neben diesen Einsatzgebieten gibt es auch Entwicklungen im Bereich Fitness und Gesundheit. So werden in einer Kooperation zwischen zwei Fraunhofer-Instituten und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg tragbare Sensoren zur Auswertung von Körperschweiß entwickelt.

    „In dieser Fitnessanwendung haben wir über die Messung von Ammoniumionen im Körperschweiß die Detektion von muskulären Belastungszuständen adressiert“, erklärt Jank.

    Wer Sport macht, könnte auf diese Weise erfahren, ab wann er seine Muskeln überbelastet. Im Sommer 2020 startet das Fraunhofer IISB zudem ein Projekt zur Früherkennung von Elektrolytstörungen bei Neugeborenen, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Dadurch könnten belastende Blutentnahmen bei Neugeborenen stark reduziert werden.

    Das Interview mit Michael Jank zum Nachhören:

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    Tags:
    Nitrat, Agrarpolitik, Landwirtschaft, Süßwasser, Wasser, Deutschland