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18.09.2015

Neuer Sensor checkt Feuchtigkeit in Bio-Krusten

Mainzer Forscher haben einen Sensor entwickelt, der auch in den obersten Schichten biologischer Bodenkrusten aus Moosen und Flechten den Feuchtigkeitsgehalt präzise messen kann.

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

Sie sind klein und unscheinbar, aber wahre Überlebenskünstler. Moose, Flechten und Algen – auch biologische Bodenkrusten genannt - überziehen unseren Planeten wie eine zweite Haut und sind unentbehrlich für unser Ökosystem. Der Grund: Sie binden CO2 und Stickstoff und geben das Treibhausgas Lachgas ab. Um den Wechselprozess von Fixieren und Freisetzen untersuchen zu können, muss die Bodenfeuchtigkeit analysiert werden. Bisher fehlte es jedoch an einem geeigneten und vor allem präzisen Messinstrument. Forscher vom Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie haben nun einen Sensor entwickelt, der erstmals verlässliche Daten zur Bodenfeuchtigkeit liefert und zudem kostengünstig und variabel einsetzbar ist.

Moose, Flechten und Algen existieren selbst da, wo scheinbar kein Leben möglich ist. Sie bilden sogenannte biologische Krusten und schützen weite Landschaften so vor Erosion. Meist präsentieren sie sich vertrocknet und stachlig. Doch schon die nächtliche Taubildung in der Wüste reicht beispielsweise aus, um den Stoffwechselprozess wieder anzukurbeln und die vermeintlich abgestorbenen Pflanzen zum Leben zu erwecken. Durch das abgestorbene organische Material entsteht eine „biologische Bodenkruste“, die den Wasserhaushalt im Boden bestimmt. Neusten Studien zufolge wird dabei so viel Kohlendioxid gebunden, wie weltweit jährlich durch das Verbrennen fossiler Energieträger freigesetzt wird. Doch nicht nur wegen ihres CO2-Gehalts sind die Krusten für das Ökosystem von Bedeutung. Zugleich binden sie Stickstoff und geben dadurch die gefährliche Substanz Distickstoffmonoxid ab, die auch als Lachgas bekannt ist.

Feuchtegehalt durch Leitfähigkeit der Böden bestimmt

Wie genau dieser Wechselprozess verläuft, ist weitestgehend unerforscht. Denn dazu fehlten bisher geeignete Messinstrumenten, die auch die oberen Millimeter der Bodenkruste auf deren Feuchtigkeitsgehalt überprüfen können. „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“, erklärt Bettina Weber. Weber und ihr Team vom Max-Planck-Institut für die Chemie versuchten über Jahre dieses Manko durch eigene Entwicklungen wettzumachen. Dabei stießen sie auf eine Methode,  welche die Bodenfeuchtigkeit anhand seiner Leitfähigkeit bestimmt. Hierfür wurde ein Sensor entwickelt, der die ermittelten Leitfähigkeitswerte den entsprechenden Werten zum Wassergehalt zuordnet. Diese Art der Bestimmung zur Bodenfeuchte ist bisher einmalig und wurde von den Mainzer Forschern bereits zum Patent angemeldet.

Auch industrielle Anwendung möglich

Die Vorteile des Bodenfeuchtesensors:  Er kann aufgrund seines einfachen Aufbaus und einer robusten Konstruktion universell in den verschiedensten Böden der Erde eingesetzt werden. Außerdem sind die Anschaffungskosten nur gering, so dass auch mehrere  Sensoren gleichzeitig genutzt und so noch genauere Angaben geliefert werden können. Daneben kann das Messinstrument unkompliziert für Messungen über größere Bodenbereiche angepasst werden, so dass die Anwendung nicht auf biologische Bodenkrusten begrenzt, sondern auch für industrielle Zwecke wie der Verarbeitung von Beton geeignet ist. Derzeit ist das Mainzer Team dabei, den Bodenfeuchtesensor netzwerkfähig zu machen.

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