Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mainzer Wissenschaftler entwickeln neuen Bodenfeuchtesensor

11.09.2015

Innovatives Messgerät ermöglicht erstmals, den Wassergehalt biologischer Bodenkrusten zu messen

Biologische Bodenkrusten aus Flechten Algen und Moosen nehmen eine wichtige Rolle in Ökosystemen der Erde ein. Sie fixieren große Mengen Kohlendioxid und Stickstoff und geben gleichzeitig bedeutende Mengen des Treibhausgases Lachgas ab.


Das Gelände, auf dem die Bodenfeuchtesensoren in Klimastationen installiert sind, wird mithilfe eines Zaunes vor weidenden Tieren geschützt.

Bettina Weber, MPI für Chemie


Der neu entwickelte Bodenfeuchtesensor im Einsatz in einer durch Flechten dominierten Bodenkruste in der Sukkulentenkaroo, einer Halbwüste in Südafrika.

Bettina Weber, MPI für Chemie

Um ihre Fixierungs- und Freisetzungsprozesse im Detail untersuchen und verstehen zu können, sind Informationen zur Bodenfeuchtigkeit von entscheidender Bedeutung. Bisher jedoch existierte kein Sensor, der den Wassergehalt in den obersten Millimetern des Bodens mit ausreichender Genauigkeit ermitteln kann.

Diese Lücke schließt nun eine Neuentwicklung von Bettina Weber und Kollegen am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, wie online in der „Early View“ Ausgabe des Journals „Methods in Ecology and Evolution“ der Wiley Online Bibliothek zu lesen ist. Sie schafften es, einen entsprechenden Bodenfeuchtesensor zu konstruieren, der verlässliche Daten liefert und darüber hinaus kostengünstig und flexibel in der Anwendung ist.

Bisher behalfen sich Wissenschaftler bei Untersuchungen der obersten Bodenschicht mit nur mäßig geeigneten Methoden, um zumindest näherungsweise deren Wassergehalt zu bestimmen. „Der einzige Sensor, der in den obersten Schichten zurzeit einsetzbar ist, misst lediglich, ob die Organismen aktiv sind, nicht aber die vorhandene Menge an Wasser. Alle anderen Bodenfeuchtesensoren messen den Wassergehalt in tieferen Schichten, so dass sie für die Anwendung in Bodenkrusten völlig ungeeignet sind“, beschreibt Bettina Weber, Gruppenleiterin in der Abteilung Multiphasenchemie, die Problematik.

Da aber die Feuchtigkeit des Bodens in den obersten fünf Millimetern ausschlaggebend für die Aktivität, Produktivität und Oberflächenaustauschrate wechselfeuchter Lebewesen ist, versuchte Bettina Weber diese Unbekannte bei ihren Messungen durch eigene Entwicklungen zu entschlüsseln. Gemeinsam mit ihrem Forschungsteam fand sie eine Methode, um die Bodenfeuchtigkeit anhand seiner Leitfähigkeit bestimmen zu können. Das Kernstück des Messgeräts ist daher ein Leitfähigkeitssensor.

Die größte Herausforderung bereitete die Kalibrierung der Sensoren: Da die Leitfähigkeit des Bodens nicht nur durch die Feuchtigkeit, sondern u. a. durch die Körnigkeit und den Salzgehalt des Bodens beeinflusst wird, muss der Sensors stets innerhalb des gemessenen Substrats kalibriert werden. Erst nach zahlreichen Anläufen konnten die Forscher eine zuverlässige Methode entwickeln, mit der sie die Leitfähigkeitswerte den entsprechenden Wassergehaltswerten zuordnen konnten.

„Da es recht aufwendig ist, im Anschluss an die Feldmessungen Kalibrationskurven im Labor zu erstellen, haben wir auch eine Methode entwickelt, eine Kalibrationskurve mit etwas geringerer Genauigkeit anhand weniger Feldmessungen zu erstellen“, erklärt Thomas Berkemeier, Doktorand in der Abteilung Multiphasenchemie, der das mathematische Verfahren zur Berechnung der Kalibrationskurven entwickelte.

Insgesamt überzeugt die Neuentwicklung der Mainzer Forscher durch zahlreiche Vorteile: Zum einen kann der Sensor aufgrund seines einfachen Aufbaus und einer robusten Konstruktion universell in den verschiedensten Böden der Erde eingesetzt werden. Zum anderen ist es dank der geringen Anschaffungskosten möglich, zahlreiche Sensoren gleichzeitig einzusetzen, um so auch kleinräumige Muster und Abhängigkeiten statistisch zuverlässig erfassen zu können, was bisher nicht möglich war.

Die neu entwickelten Bodenfeuchtesensoren können mit einfachen Änderungen für Messungen über größere Bodenbereiche hinweg angepasst werden. Sie sind somit potenziell nicht nur für Forschungsprojekte an biologischen Bodenkrusten interessant, sondern auch beispielsweise für industrielle Anwendungen wie bei der Verarbeitung von Beton.

Ihre Erfindung haben sich die Max-Planck-Wissenschaftler schützen lassen und den Feuchtesensor als Gebrauchsmuster angemeldet. Zurzeit arbeitet Bettina Weber bereits an einer Weiterentwicklung des Sensors, um ihn auch für den Betrieb in Sensornetzwerken einsatzfähig zu machen. AR

Originalpublikation
B. Weber, Th. Berkemeier, N. Ruckteschler, J. Caesar, H. Heintz, H. Ritter, H. Braß: “Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts”, Methods in Ecology and Evolution (2015), doi: 10.1111/2041-210X.12459

Kontakt
PD Dr. Bettina Weber
Max-Planck-Institut für Chemie
Abteilung Multiphasenchemie
55128 Mainz
E-Mail: b.weber@mpic.de

Zusatzinfo biologische Bodenkrusten:
Biologische Bodenkrusten bestehen aus einer Gemeinschaft von Blaualgen, Flechten, Algen und Moosen, die gemeinsam mit Pilzen, Bakterien und Archaeen in den oberen drei bis fünf Millimetern des Bodens wachsen und hier eine verhärtete Schicht bilden. Sie kommen weltweit in Trockengebieten der Erde vor und besiedeln hier ungefähr 20 Mio. Quadratkilometer, was annähernd der Fläche von Südamerika entspricht. Sämtliche Organismen in Bodenkrusten sind wechselfeuchter Natur, was bedeutet, dass sie nur bei ausreichender Feuchte des Bodens aktiv sind, trockene Bedingungen aber in einem inaktiven Zustand überdauern.

Weitere Informationen:

http://www.mpic.de/aktuelles/pressemeldungen/news/mainzer-wissenschaftler-entwic...

Dr. Susanne Benner | Max-Planck-Institut für Chemie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Seltene Erden in norwegischen Fjorden?
06.08.2020 | Jacobs University Bremen gGmbH

nachricht Auf Spurensuche in Grönland
06.08.2020 | Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstage 2020 – digital

06.08.2020 | Veranstaltungen

Innovationen der Luftfracht: 5. Air Cargo Conference real und digital

04.08.2020 | Veranstaltungen

T-Shirts aus Holz, Möbel aus Popcorn – wie nachwachsende Rohstoffe fossile Ressourcen ersetzen können

30.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der Türsteher im Gehirn

06.08.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

06.08.2020 | Energie und Elektrotechnik

Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

06.08.2020 | Verfahrenstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics