LIPS Monitoring Bodenchemie

LIPS (Laser Induzierte Plasma Spektroskopie | oder engl. LIBS = Laser Induced Breakdown Spectroscopy) ist eine Variante der optischen Emissionsspektroskopie (OES) und dient der Elementanalyse in Feststoffen. Der zu analysierende Feststoff wird mittels eines Lasers angeregt und so ein Analysenspektrum erzeugt. Das LIPSVerfahren wird bereits erfolgreich in der Metallanalytik eingesetzt, z.B. zur Sortierung verschiedener Materialien in der Recyclingindustrie. Die auf dem Markt erhältlichen Geräte erlauben jedoch weder eine genaue Bestimmung des Kohlenstoffgehalts noch die Messung organischer Proben im Boden. Für die Entwicklung des LIPS für die Landwirtschaft stellen sich folgende Herausforderungen: 1. Spektrallinien für die Kohlenstoffmessung liegen im UV-C-Bereich des Lichtspektrums mit Wellenlängen unter 195 nm und sind mit Standard CCD-Sensoren oder PMT-Sensoren nicht detektierbar zudem wird Licht dieser Spektrallinien bereits von der Luft absorbiert. 2. Zur Erzeugung des Lichtspektrums muss das Probenmaterial hochenergetisch angeregt werden. Es gibt verschiedene Lasertypen, die genügend Energie erzeugen und als Anregungsquelle verwendet werden können. Solche Laser können aber auch Verletzungen der Haut oder des Auges hervorrufen. 3. Der Laser soll mobil einsetzbar sein und somit eine moderate Leistungsaufnahme haben. Lösungsansatz: Entwicklung eines neuartigen Sensors, zu dem das Licht auf einem innovativen Weg geleitet wird, damit überhaupt eine ausreichende Lichtmenge am Sensor ankommt. Auswahl einer Laserquelle mit genügend Energie zum Anregen des Probenmaterials und gleichzeitig einer geringen Gefährdung für den Anwender, so dass das Messsystem einer Schutzklasse entspricht, die einen einfachen und unkomplizierten Einsatz auch für Landwirte ermöglicht. Implementierung einer mobilen Energieversorgung und smarten Steuerung des Verbrauchs. Die Entwicklung des LIPS würde zu einem vielfältig einsetzbaren Analysator führen, der nicht nur den Kohlenstoffgehalt von Bodenproben (Bilanzierung), sondern auch andere interessante Größen wie toxischen Elementen und Schwermetallen (Blei, Arsen, Cadmium etc.) oder auch die Konzentration von interessanten Elementen wie Schwefel, Nitrat, Nitrit und Phosphor bestimmen kann. Im Projekt wird basierend auf den ersten Untersuchungen von Royal Eijkelkamp LIPS erstmals als Produktinnovation in Form eines für die Landwirtschaft praktikablen Handhelds ergänzt um ein Standardverfahren zur Beprobung sowie Auswertung und Interpretation der Daten entwickelt. Über eine Schnittstelle wird das Produkt in die Datenbank des Bodenmanagementsystem (Soil Health Check) integriert. Teilentwicklungen: – Entwicklung der Laserquelle sowie des Spektrographen (Rheinland Technologie) – Teilentwicklung von Embedded Hard- und Software für das LIPS-Handgerät, Aufbau Datenbank (HSRW) – Aufbau eines Demonstrators für den Feldeinsatz (Rheinland Technologie, Royal Eijkelkamp) – Integration von LIPS in die Analyse von Boden-Bohrprofilen (Royal Eijkelkamp) – Integrierte Georeferenzierung der Probenahme über GNSS-Modul (Royal Eijkelkamp) – Testung unter Feldbedingungen, Validierung und Kalibrierung (Royal Eijkelkamp und Rheinland Technologie, Living Labs) – Marktanalyse, Business Development (RheWaTech, Royal Eijkelkamp) – Validierung und Kalibrierung anhand von existenten laborgebundenen Systemen – Vorbereitung einer Zertifizierung unter Berücksichtigung des im Projekt MARVIC entstehenden Rahmens für die Entwicklung von Überwachungs-, Berichterstattungs- und Überprüfungssysteme zur Bewertung von Kohlenstoffbestandsänderungen in Böden