Lachgas rangiert nach Kohlendioxid und Methan auf Platz drei der wichtigsten Treibhausgase. Die Hauptquelle bildet die landwirtschaftliche Stickstoffdüngung. Eine kompakte, kostengünstige Messtechnik des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM erfasst diese Emissionen nun direkt im Feld. Das System liefert wertvolle Daten für eine effizientere Düngestrategie der Zukunft.
Steigende Importpreise für Harnstoff – den weltweit meistgenutzten Stickstoffdünger – erfordern ein optimiertes Ressourcenmanagement. Zudem belastet ein Stickstoffüberschuss das Grundwasser über hohe Nitratkonzentrationen. Mikrobielle Bodenprozesse wandeln den Überschuss in klimaschädliches Lachgas (N2O) um. Dieses entweicht anschließend kontinuierlich in die Atmosphäre.
Status quo und innovative Feldanalytik
Erhöhte Lachgasemissionen indizieren meist eine zu intensive Düngung. Bisherige Bestimmungsmethoden sind jedoch zeitaufwändig und kostenintensiv. Das Standardverfahren basiert auf der manuellen Gasprobenahme mittels Messkammern auf dem Feld. Die anschließende Quantifizierung erfolgt zeitverzögert im Labor. Mobile Alternativverfahren existieren zwar, sind jedoch hochkomplex und teuer.
Hier setzt das Fraunhofer-Projekt ESKILA an. „Wir entwickeln ein kompaktes, kostengünstiges Messsystem, das Lachgas-Emissionen, die auf dem Acker aus dem Boden strömen, mobil, schnell und direkt auf dem Feld bestimmen kann“, erklärt Gerrit Stiefvater, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPM. „Diese Informationen helfen bei der Modellierung von Bodenprozessen. Damit kann man eine bessere Aussage treffen, wie und in welchem Ausmaß der Boden auf Stickstoffdüngung reagiert, um am Ende die Düngemittelmenge zu optimieren.“ Für die Feldtests nutzt das Team strategisch platzierte Sammelhauben. Eine Pumpe fördert das aufkonzentrierte Gas in die Messzelle des 5,5 Kilogramm schweren Koffersystems.
Das Messprinzip: Resonante Photoakustik
Das System nutzt die hochsensitive, resonante Photoakustik. Im Gegensatz zur klassischen Absorptionsspektroskopie detektiert dieses Verfahren nicht die Strahlungsabsorption direkt. Das analytische Signal basiert vielmehr auf einem akustischen Ton durch Modulation der Laserwellenlänge.
„In der Photoakustik fangen die Moleküle bei der Absorption an, sich wie wild zu bewegen, der Druck wird höher. Modulieren wir diesen Prozess, können wir ein akustisches Signal erzeugen“, erklärt Dr. Raimund Brunner, Gruppenleiter am Fraunhofer IPM. „Wir nutzen zudem die Messzelle als Resonator, was bei passender Modulationsfrequenz das Signal erheblich verstärkt. Dies ermöglicht hohe Empfindlichkeit bei kompakter Bauform.“
Ein einfaches MEMS-Mikrofon, bekannt aus Smartphones, registriert das Signal. „Je mehr Lachgas in der Zelle ist, desto lauter ist das Mikrofonsignal. Über den Ton können wir also indirekt messen, wie viel Lachgas sich in der Messzelle befindet.“
Fluktuierende Umweltbedingungen wie wechselnde Bodenfeuchte beeinflussen photoakustische Messungen stark. Ein integriertes Befeuchtungssystem hält die Feuchtigkeit in der Messzelle konstant. Dies garantiert reproduzierbare und zuverlässige Messdaten.
Evaluierung von Düngestrategien und Ausblick
Das neue System ermöglicht die systematische In-situ-Untersuchung von Düngeeffizienz und Klimawirkung. Analytisch lässt sich so die konventionelle Breitbanddüngung mit der gezielten Depotdüngung in 20 Zentimetern Tiefe vergleichen. Letztere soll die N2O-Emissionen senken und gleichzeitig den Ertrag steigern.
Das photoakustische Prinzip ist zudem modular erweiterbar. Durch Anpassung der Wellenlänge lassen sich künftig auch andere Gase wie Ammoniak (NH3) oder Kohlendioxid (CO2) quantifizieren. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Umweltanalytik.
Quelle
Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM (05/2026)