Diodenlaser trifft Ackerkrume: Warum portable Raman-Systeme in der Landwirtschaft zum Einsatz kommen – das RaMBo-Messsystem aus dem Adlershofer Ferdinand-Braun-Institut

29. April 2021

Diodenlaser trifft Ackerkrume

Warum portable Raman-Systeme in der Landwirtschaft zum Einsatz kommen – das RaMBo-Messsystem aus dem Adlershofer Ferdinand-Braun-Institut

Raman-Messsystem © FBH/K. Sowoidnich

Raman-Messsystem im praktischen Einsatz auf dem Acker. Foto: © FBH/K. Sowoidnich

Im vergangenen November war es so weit. Auf einem Acker in Potsdam-Marquardt kam das RaMBo-Messsystem zu seinem ersten Feldeinsatz. Das Ziel: Den Nährstoffgehalt des Bodens zu bestimmen. Insbesondere Phosphor und Stickstoff beeinflussen, wie gut Pflanzen gedeihen können. Reicht der natürliche Gehalt nicht aus, muss gedüngt werden. Nicht überall gleich viel, sondern quadratmetergenau nach Bedarf. Das ist die Idee der Präzisionslandwirtschaft. Auf diese Weise lassen sich Düngemittel sparen, Boden und Grundwasser vor Überdüngung schützen und die Pflanzen optimal versorgen.

Messgeräte, wie das im Projekt RaMBo (Raman-Messsystem zur ortsspezifischen Bodenanalytik) entwickelte, sind hierfür ein wichtiger Baustein. Der Name klingt martialisch, doch das trügt. Das RaMBo-System ist hochsensibel. Ausgestattet mit einem winzigen Diodenlaser und einer ausgeklügelten Analytik registriert es die Wechselwirkungen des Laserlichts mit Molekülen im Erdboden. Dabei macht es sich den sogenannten Raman-Effekt zunutze: Das Laserlicht bestimmter Wellenlänge regt Moleküle in der bestrahlten Substanz zum Schwingen an. Im zurückgestreuten Licht verändert sich dadurch – je nach Art des Moleküls – die Wellenlänge auf charakteristische Weise. Mithilfe der gemessenen Spektren können die Forschenden also die Nährstoffmoleküle aufspüren und ihre Anteile bestimmen.

Das allerdings ist in der Praxis gar nicht so einfach, wie Bernd Sumpf betont. Der Physiker leitet am Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Adlershof das Laser Sensors Labs, wo das RaMBo-System entwickelt wurde. Ackerboden mit seinen unregelmäßigen Krumen und seinen vielfältigen mineralischen und organischen Komponenten ist schwieriges Terrain, wie Sumpf bestätigt: „Jedes Sandkorn ist anders, und neben vielen anderen Bestandteilen kommen auch die gesuchten Nährstoffe Phosphor und Stickstoff in vielfältigen chemischen Verbindungen vor.“ Die gemessenen Spektren sind daher auf den ersten Blick ziemlich unübersichtlich und gar nicht so einfach zu interpretieren.

Bevor das System einmal routinemäßig die gewünschten Daten liefern kann, sind die Forschenden und Entwickelnden deshalb noch mit sehr viel Detektivarbeit befasst – Spurensuche nicht nur in der Erde, sondern vor allem im Spektrum. Dazu werden im Labor zunächst diverse relevante Substanzen und Nährstoffe als Referenz analysiert, um ihre spezifischen Muster in den Spektren wiederfinden zu können.

„Besonders spannend ist es, dass hier so viele unterschiedliche Fachrichtungen zusammenarbeiten“, findet Bernd Sumpf. RaMBo wurde im Rahmen der Förderinitiative BONARES entwickelt, die aktuell im sechsten von neun Jahren läuft, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Das Teilprojekt „I4S – Intelligence for Soil“ wird vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB) in Potsdam-Bornim geleitet. Acht weitere Partner aus den verschiedensten Disziplinen sind mit an Bord.

Eine weitere Herausforderung, die der Einsatz auf dem Acker mit sich bringt, hat das Team um Sumpf schon gemeistert: „Tageslicht und andere Einflüsse, bei denen ebenfalls Licht ausgesendet wird, erschweren unsere Analyse. Hinzu kommt, dass Raman ein sehr schwacher Effekt ist“, erläutert der Physiker. Deshalb setzte das FBH auf eine Variante der klassischen Raman-Spektroskopie: SERDS (Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy). Zur Anregung der Molekülschwingungen werden zwei eng benachbarte Laserwellenlängen ausgesendet. Das spiegelt sich auch in den gemessenen Signalen wider, aus denen sich so störende Beiträge gut herausrechnen lassen.

„Unsere Diodenlaser mit zwei schaltbaren Resonatoren auf einem Chip sind für die Anwendung in der Raman-Spektroskopie einzigartig“, betont Sumpf. In früheren Experimenten wurde bereits demonstriert, dass sich dieser Laser eignet, um Blätter und Früchte im Freien zu vermessen. Für den Einsatz auf dem Acker wurde dieses Schlüsselelement in eine stiftartige Sonde integriert, ausgestattet mit einer Transferoptik, die das Licht aussendet und wieder einsammelt. Dazu kommt die passende Analytik in Hard- und Software. Insgesamt steht den Forschenden nun ein Messkoffer für weitere Feldeinsätze zur Verfügung.

Später soll das System – mit anderen Analysetechnologien wie etwa der Nah-Infrarot-Spektroskopie oder Leitfähigkeitsmessungen – auf einem Fahrzeug über den Acker gezogen werden, um währenddessen automatisiert Proben analysieren zu können. So soll – auch mithilfe des RaMBo-Systems – ein Gesamtpaket aus Hard- und Software entstehen, das Empfehlungen zur Düngung und Bewässerung nach Bedarf geben kann.

Von Dr. Uta Deffke für Potenzial – Das WISTA-Magazin

Potenzial: Wissenschafts­transfer
Potenzial – Das WISTA-Magazin. Ausgabe: Wissenschafts­transfer 2021