„Agricomb“ misst mehrere Gasemissionen von ... Kühen

Nachdem der optische Frequenzkamm als Lineal für Licht debütierte, folgten Ableger, darunter der „Astrocomb“ zur Messung des Sternenlichts und ein radarähnliches Kammsystem zum Aufspüren von Erdgaslecks. Jetzt haben Forscher die „Agricomb“ vorgestellt, um „Kuhrülpser“ zu messen. Die Agricomb könnte dazu beitragen, landwirtschaftliche Prozesse zu optimieren, um die Produktion von wärmespeichernden Treibhausgasen zu reduzieren.

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Kansas State University (KSU) verwendeten den Agricomb des NIST, um gleichzeitig die Emissionen von Methan, Ammoniak, Kohlendioxid und Wasserdampf aus der Atmosphäre um einen Rindermastbetrieb in Kansas zu messen. Das NIST-Gerät – ein Zwei-Kamm-System – identifiziert Spurengase basierend auf den genauen Schattierungen und Mengen des Infrarotlichts, das von der Atmosphäre absorbiert wird, wenn das Kammlicht über Freiluftpfade hin und her gesendet wird.

Das tragbare System wurde in einem Anhänger aufgestellt, der neben dem Feedlot geparkt war. Das Laserlicht wurde speziell verstärkt und gefiltert, um auf bestimmte Gase abzuzielen. Die Forscher maßen Gase entlang zweier 100-Meter-Pfade sowohl gegen den Wind als auch gegen den Wind von Ställen mit etwa 300 Kühen. Das Experiment konzentrierte sich auf Methan und Ammoniak, da die Emissionen von Nutztieren, hauptsächlich Rindern, die größte US-Quelle für vom Menschen verursachtes Methan, ein wichtiges Treibhausgas, sind. und Ammoniak ist ein wichtiger Luftschadstoff.

Die Messungen erfassten Emissionen aus den Verdauungsprozessen der Rinder und aus Gülle auf dem Boden. Der Agricomb maß sowohl Methan- als auch Ammoniakkonzentrationen im Bereich von Teilen pro Million mit einer Genauigkeit von 25 Teilen pro Milliarde. Die Agricomb-Ergebnisse für Methan waren mit denen eines kommerziellen Sensors vergleichbar, der die Luft an mehreren Einlässen entlang der Ränder des Futterplatzes beprobte. Das Kammsystem war besonders nützlich für Ammoniak, da dieses Gas klebrig und mit Systemen, die Luft hineinsaugen, schwer zu messen ist. Darüber hinaus kann der Agricomb viele Gase gleichzeitig messen, was für herkömmliche Systeme eine Herausforderung darstellt.

Während die kommerziellen Sensoren präzise Hintergrundpegel schneller maßen, erfasste der Agricomb schließlich die vor dem Wind liegenden Schwaden genauer und konnte dann die Gasquellen besser charakterisieren, so die Forscher. Die erhöhte Genauigkeit wird für geplante zukünftige Messungen von Methan von spärlich verteilten Kühen auf einer Weide entscheidend sein, was ein viel schwierigeres Problem darstellt.

Die Übereinstimmung der alten und neuen Techniken weckt das Vertrauen, dass der Agricomb zur genauen Quantifizierung von Gasen in landwirtschaftlichen Kontexten verwendet werden kann. Zu den Vorteilen des agricomb gehören die Empfindlichkeit gegenüber einem breiten Spektrum an Infrarotlicht, hohe Präzision, kalibrierungsfreie Erkennung mehrerer Gase gleichzeitig und Flexibilität des Messaufbaus. Die Paarung von zwei Kämmen mit unterschiedlichen Abständen von „Zähnen“ zur Identifizierung exakter Lichtfarben macht die Analyse noch präziser.

Die Schätzung der Methanemissionen von Nutztieren ist aufgrund von Unterschieden in den Managementpraktiken und Rindermerkmalen in kommerziellen Betrieben eine Herausforderung. Darüber hinaus wirkt sich das Futter der Rinder auf die Emissionen aus, wird jedoch in den nationalen Inventaren nicht berücksichtigt, was laut den Forschern zu großen Unsicherheiten in den Treibhausgasemissionsmodellen führt. Die Rinder auf dem Feedlot in Kansas fraßen eine Mischung aus Heu und Maissilage.

„Für die Zukunft planen wir, mit der KSU zusammenzuarbeiten, um eine Weidemessung durchzuführen, bei der die Rinder einheimische Gräser fressen“, sagte NIST-Physiker Brian Washburn. „Das unterschiedliche Futter sowie die mikrobielle Aktivität in Grünlandböden, die Methan verbrauchen, können zu einer geringeren atmosphärischen Methanproduktion auf der Weide als auf dem Futterplatz führen. Die Rinder verbringen etwa 75 % ihres Lebens auf der Weide, daher wäre diese Messung repräsentativer für die Netto-Methanproduktion. Dies wäre auch eine schwierigere Messung, da sie auf einer größeren Fläche stattfinden würde, etwa 500 Meter mal 500 Meter, mit weniger Tieren – etwa 40 Stück.“

Die Forscher schlagen vor, dass der Agricomb die Präzisionslandwirtschaft – den Einsatz neuer Technologien zur Steigerung der Erträge – unterstützen kann, indem viele Gase gleichzeitig über große räumliche Maßstäbe gemessen werden, wodurch es möglich wird, sauberere und produktivere Farmen zu entwerfen.