Måler lystgass i bondens åker

På vårparten spres det mineralgjødsel utover åkrene for å gi grøde og vekst. Gjødslet inneholder blant annet nitrogen som kan omdannes til drivhusgassen N₂O (lystgass).

Om noe av gjødslet fordeles utover i vekstsesongen og justeres etter hvordan næringsbehovet til plantene varierer, får vi det som kalles presisjonsgjødsling.

Forskernes hypotese er at dette ville være bra for bondens økonomi siden overgjødsling regnes som lite økonomisk – og at riktigere gjødsling med stor sannsynlighet ville gagne miljøet.

Bredt anlagt prosjekt

Det er Bioforsk som leder det store, internasjonale forskningsrådsprosjektet Multisens (2011-2015). Sammen med bl.a. Universitetet for miljø og – biovitenskap (UMB) skal det dokumenteres hvilken effekt presisjonsgjødsling vil ha på lystgassutslipp.

En rekke prosjektpartnere er inne i de fem arbeidspakkene: Yara, Adigo, Institute of Life Sciences, Gøteborg Universitet, Cornell University, USA og det tyske University of Hohenheim.

I prosjektet arbeides det også med å utvikle nye teknikker for å optimalisere gjødsling og sprøyting mot ugress og sykdommer i norsk hvetedyrking.

Lang erfaring med gassmåling

Ved SINTEF har måling av gasser vært et sentralt emne i mange år, og forskerne overvåker i dag luftkvaliteten i den internasjonale romstasjonen ISS via gassmålesystemet ANITA.

Ideen om å kunne bruke noe av det grunnleggende prinsippet i ANITA på et instrument i hveteåkeren, ble luftet tidlig for Bioforsk. Men å kjøpe et instrument over disk –  for så å tilpasse teknologien, ville koste rundt én million, så det var lite aktuelt for begge parter.

Bioforsk ønsket likevel mer testing og eksperimentering rundt emnet, og etter at SINTEF-forskerne lyktes i å få tre millioner i interne finansieringsmidler noen år seinere, utviklet de en prototyp som Bioforsk gjerne ville videreforedle. Deretter startet samarbeidet, og SINTEF ble med på en av delpakkene i det store prosjektet.

Behov for kunnskap

Audun Korsæth på Bioforsk presiserer at man ikke har ambisjoner om å levere noen form for ferdig pakkeløsning til bønder:
–Dette er et rent forskningsprosjekt der vi legger grunnlaget for eventuelle senere kommersialiseringer. Utfordringen ligger ikke bare i å utvikle selve teknologien, men at vi også må skaffe til veie nødvendig kunnskap i skjæringspunktet mellom teknologi og agronomi og finne ut hvordan vi skal nyttiggjøre oss teknologien i praksis.

Drone med bøtter

Prototypen av SINTEFs måleinstrument er nå klar, og skal testes ut videre på en selvgående robot som kan gjøre gassmålinger ute på åkeren.

Det ubemannede bakkekjøretøyet er utviklet av Adigo AS som arbeider med industriell produktutvikling, og er eksperter på design og styring av autonome feltroboter.

Dronen har to bøtter/sensorkamre som senkes mot bakken for å samle lystgass ved måling, og målingene skjer etter en viss tid når gassutslippet fra jorda er samlet opp i bøtta og en pumpe har brakt lufta videre til selve måleinstrumentet.

– Utslipp av lystgass varierer mye både i tid og rom. For å kunne finne effektive metoder for å redusere lystgassutslippene fra landbruket, trenger vi derfor omfattende måleserier. Tradisjonelle metoder for å måle gassutslipp er tungvinte og dyre. Den nye metoden vil åpne for automatiske målinger og bringe oss et langt steg framover i prosessen, sier Korsæth.

Gasser med ulike “fingeravtrykk”

Måleinstrumentet som benyttes i Multisensprosjektet, måler gasser fra jordbunnen. Foto: SINTEF. VIS MER

– Spektral analyse handler om å finne hvilke gasser som er tilstede i et miljø – og i hvor store mengder. Når vi sender lys gjennom en gass, vil noe av lyset bli borte siden hver gass demper flere av bølgelengdene/fargenyansene, forklarer Karl Haugholt ved SINTEF IKT.

Siden de forskjellige gassene absorberer ulike deler av det infrarøde spekteret, får hver gass sitt eget ”fingeravtrykk”. Forskerne måler rett og slett hvor mye av hver bølgelengde i det infrarøde spekteret som blir borte.

– Instrumentet kan skille mellom ca. 10.000 ulike bølgelengder i området 2-6 µm. Det må man kunne kalle en bra oppløsning sier Haugholt.

Rådataene går inn i computeren og dataprogrammet finner ut hvor mye det er av hvert “fingeravtrykk”. Utfordringen for forskerne er å skille gassene fra hverandre og å detektere selv lave konsentrasjoner.

For å sjekke at dataprogrammet har regnet rett og finner alle de gassene som faktisk er til stede, lager programmet også et kunstig transmisjonsspekter ved å legge sammen fingeravtrykk fra de målte gassene i det estimerte blandingsforholdet.
– Dette spekteret bør ligne på det målte signalet. Hvis det ikke gjør det, har det sannsynligvis kommet inn en gass vi ikke har tatt hensyn til. Skal vi få gode målinger må vi kalibrere for denne gassen og ta den med i beregningene, sier Haugholt.

Robust instrument

– Da vi startet opp, var tanken å bruke billige instrumenter utviklet av andre – siden det er gassmålingene som er det essensielle for oss, forteller Karl Henrik Haugholt. – Men vi endte opp med å lage instrumentet selv.

Det nye instrumentet har blitt et lavkostinstrument, med god oppløsning i forhold til andre instrumenter som påberoper seg å være robuste og bærbare.

Forskerne har brukt resultatene fra ANITA for å finne ut hvilken oppløsning man må ha for å skille mellom ulike gasser. Med for lav oppløsning vil man for eksempel ikke kunne skille ulike hydrokarboner fra hverandre.
–Den nye måleren har blitt robust og enkel å ta med seg. Det tåler et røffere miljø og mer av vibrasjoner enn mer kostbare instrumenter, sier Haugholt.