NIST & KSU stellen 'Agricomb' vor: Präzise Messung von Treibhausgasemissionen von Kühen

Nach dem Debüt des optischen Frequenzkamms als Lineal für Licht folgten Ableger, darunter der „Astrokamm“ zur Messung von Sternenlicht und ein radelähnlicher Kammsystem zur Erkennung von Erdgaslecks. Nun haben Forscher den „Agricomb“ vorgestellt, um „Kuhfurze“ zu messen. Der Agricomb könnte helfen, landwirtschaftliche Prozesse zu optimieren, um die Produktion von klimaschädlichen Treibhausgasen zu reduzieren.

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Kansas State University (KSU) nutzten NISTs Agricomb, um gleichzeitig Emissionen von Methan, Ammoniak, Kohlendioxid und Wasserdampf aus der Atmosphäre um einen Rindermastbetrieb in Kansas zu messen. Der NIST-Apparat – ein Zwei-Kamm-System – identifiziert Spurengase basierend auf den exakten Schattierungen und Mengen des infraroten Lichts, das von der Atmosphäre absorbiert wird, wenn das Kammlicht hin und her über offene Luftpfade gesendet wird.

Das tragbare System wurde in einem Anhänger neben dem Mastbetrieb aufgebaut. Das Laserlicht wurde speziell verstärkt und gefiltert, um spezifische Gase anzusprechen. Forscher maßen Gase entlang zweier 100-Meter-Pfade sowohl auf der Wind- als auch auf der Leeseite von Ställen mit etwa 300 Kühen. Das Experiment konzentrierte sich auf Methan und Ammoniak, da Emissionen von Nutztieren, hauptsächlich Rindern, die größte menschengemachte Methanquelle in den USA sind – ein wichtiges Treibhausgas; und Ammoniak ein wichtiger atmosphärischer Schadstoff ist.

Die Messungen erfassten Emissionen aus den Verdauungsprozessen der Rinder und aus Mist am Boden. Der Agricomb maß sowohl Methan- als auch Ammoniakkonzentrationen im Parts-per-Million-Bereich mit einer Präzision von 25 Parts per Billion. Die Agricomb-Ergebnisse für Methan waren vergleichbar mit denen eines kommerziellen Sensors, der die Luft an mehreren Einlässen entlang der Ränder des Mastbetriebs probte. Das Kammsystem war besonders nützlich für Ammoniak, da dieses Gas klebrig ist und mit Systemen, die Luft ansaugen, schwer zu messen ist. Zudem kann der Agricomb viele Gase gleichzeitig messen, was für konventionelle Systeme eine Herausforderung darstellt.

Schließlich erfassen kommerzielle Sensoren zwar schneller präzise Hintergrundwerte, der Agricomb erfasste jedoch präziser die windabwärts gerichteten Plumes und konnte die Gasquellen besser charakterisieren, so die Forscher. Die erhöhte Präzision wird für geplante zukünftige Messungen von Methan von dünn verteilten Kühen auf der Weide entscheidend sein, was ein viel anspruchsvolleres Problem darstellt.

Die Übereinstimmung der alten und neuen Techniken schafft Vertrauen, dass der Agricomb zur genauen Quantifizierung von Gasen in landwirtschaftlichen Kontexten eingesetzt werden kann. Vorteile des Agricombs sind Empfindlichkeit für einen breiten Infrarotbereich, hohe Präzision, kalibrierungsfreie Detektion mehrerer Gase gleichzeitig und Flexibilität des Messaufbaus. Die Kopplung zweier Kämme mit unterschiedlichen „Zahnabständen“ zur Identifizierung exakter Lichtfarben macht die Analyse noch präziser.

Die Schätzung von Methanemissionen aus der Tierhaltung ist aufgrund von Variationen in Managementpraktiken und Rindermerkmalen in kommerziellen Betrieben schwierig. Zudem beeinflusst die Fütterung der Rinder die Emissionen, wird aber in nationalen Inventaren nicht berücksichtigt, was zu großen Unsicherheiten in Treibhausgasemissionsmodellen führt, so die Forscher. Die Rinder im Kansas-Mastbetrieb fraßen eine Mischung aus Heu und Maissilage.

„Für die Zukunft plan wir, mit der KSU eine Weidemessung durchzuführen, wo die Rinder einheimische Gräser fressen“, sagte NIST-Physiker Brian Washburn. „Die unterschiedliche Fütterung sowie mikrobielle Aktivität in Graslandböden, die Methan verbrauchen, könnten bedeuten, dass auf der Weide weniger atmosphärisches Methan produziert wird als im Mastbetrieb. Die Rinder verbringen etwa 75 % ihres Lebens auf der Weide, sodass diese Messung repräsentativer für die Netto-Methanproduktion wäre. Dies wäre auch eine schwierigere Messung, da sie über ein größeres Gebiet von etwa 500 mal 500 Metern mit weniger Tieren – etwa 40 Stück – stattfinden würde.“

Die Forscher schlagen vor, dass der Agricomb die Präzisionslandwirtschaft unterstützen kann – den Einsatz neuer Technologien zur Ertragssteigerung – indem er viele Gase gleichzeitig über große räumliche Skalen misst, was die Gestaltung sauberer und produktiverer Farmen ermöglicht.