Das Team entwickelt eine neue Methode zur Suche nach Kohlenstoff im Boden, ohne zu graben oder Bodenproben zu entnehmen

Physiker und Bodenwissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums haben sich zusammengetan, um eine neue Methode zu entwickeln, um Kohlenstoff zu finden, der von Pflanzen und Mikroben im Boden gespeichert wird. Im Gegensatz zu allen bisherigen Methoden ermöglicht diese neue Technik, den Kohlenstoff im Boden zu sehen, ohne Löcher zu graben oder Bodenproben zu nehmen, wie ein Röntgenbild für den Boden. Diese neue Methode zur Messung von Kohlenstoff aus der Luft verspricht ein wichtiges Instrument zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Entwicklung umweltfreundlicherer Formen der Landwirtschaft zu werden.

„Was dieses Instrument wirklich ermöglicht, sind wiederholte Messungen im Laufe der Zeit“, sagte Arun Persaud, Physiker am Berkeley Lab und einer der Leiter des Teams. „Mit unserem Instrument können Sie den Gesamtkohlenstoffgehalt in einem Hektar Land sehr genau und schnell messen, ohne den Boden zu stören oder die dort lebenden Organismen zu schädigen.“

Eine Pflanze überträgt als natürlichen Teil ihres Lebenszyklus Kohlenstoff in den Boden. Pflanzen atmen Kohlendioxid ein und Sauerstoff aus (den wir Tiere dann einatmen). Der Kohlenstoff verbleibt in der Pflanze und dient zum Aufbau von Molekülen und Zellen, die sie zum Leben braucht. Ein großer Teil dieses Kohlenstoffs gelangt schließlich über die Wurzeln der Pflanze in den Boden. Mikroben im Boden nehmen dann diesen Kohlenstoff und wandeln ihn in organisches Material um, das Jahrzehnte, Jahrhunderte oder länger bestehen kann.

Pflanzen und Bodenmikroben spielen eine Schlüsselrolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde – ein Kreislauf, den der Mensch drastisch verändert hat. Das Verbrennen fossiler Brennstoffe heizt den Planeten schnell auf. Die menschliche Landnutzung für die Landwirtschaft hat die organische Substanz im Boden erschöpft, was zu einem enormen Kohlenstoffdefizit im Boden geführt hat, das auch zum Klimawandel beiträgt.

Große Mengen an Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu ziehen, ist ein wesentlicher Bestandteil praktisch aller Pläne zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf 2 Grad Celsius oder weniger. Dieser Bedarf ist der Antrieb hinter der Carbon Negative Initiative von Berkeley Lab, die darauf abzielt, Technologien zur Abscheidung, Sequestrierung und Nutzung von Kohlendioxid zu entwickeln. Pflanzen und Mikroben sind Experten darin, Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu ziehen – sie tun dies seit Milliarden von Jahren. Aber bevor wir sie nutzen können, um den atmosphärischen Kohlenstoff zu verwalten, müssen wir genau messen, wie viel Kohlenstoff bereits durch Pflanzen-Mikroben-Interaktionen oder andere Managementstrategien im Boden gebunden ist. Leider sind bestehende Techniken zum Testen des Kohlenstoffgehalts des Bodens ziemlich destruktiv und im großen Maßstab fehleranfällig.

„Wir haben aufgrund der Art und Weise, wie wir ihn messen, eine große Einschränkung beim Verständnis und der Quantifizierung, wie Kohlenstoff in den Boden gelangt und dort verbleibt“, sagte Eoin Brodie, ein Wissenschaftler des Berkeley Lab. „Normalerweise würden wir eine Bodenkernprobe von einer Position auf einem Feld nehmen und sie zurück ins Labor bringen. Dann würden wir sie im Grunde verbrennen und den freigesetzten Kohlenstoff messen. Ich weiß nicht einmal, wie repräsentativ diese Kerne sind.“

Brodie ist stellvertretender Direktor der Abteilung für Klima- und Ökosystemwissenschaften des Berkeley Lab und einer der Leiter des EcoSENSE-Programms, einer Komponente des derzeit in Entwicklung befindlichen Integrationszentrums für biologische und umweltbezogene Programme (BioEPIC). EcoSENSE zielt darauf ab, Sensorreihen zu entwickeln, um die Auswirkungen von Klima und Wetter auf die Ökosystemfunktion zu überwachen, und Brodie und seine Kollegen wollten einen besseren Weg finden, um Kohlenstoff im Boden zu messen. Das breite wissenschaftliche Fachwissen, das im Berkeley Lab verfügbar ist, und eine rechtzeitige Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen zu unterirdischen Sensortechnologien von DOE’s Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) veranlassten Brodie, Persaud und ihre Kollegen, sich für dieses Projekt zusammenzuschließen. „Was es wirklich brauchte, war die Kommunikation zwischen sehr unterschiedlichen Programmen bei Berkeley Lab“, sagte Brodie. „Wir sind in der Abteilung Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) auf diese potenziell nützliche Technologie aufmerksam geworden und haben unsere Kräfte gebündelt.“ Letztendlich erhielt das interdisziplinäre Team einen Zuschuss aus dem Programm Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS) von ARPA-E, das diese Arbeit ermöglichte.

Durch die neue Messmethode, die das Team von Berkeley Lab entwickelt hat, muss überhaupt nichts mehr aus der Erde gegraben werden. Stattdessen scannt das noch unbenannte Gerät den Boden mit einem Strahl aus Neutronen. Dann erfasst ein Detektor die schwache Reaktion des Kohlenstoffs und anderer Elemente im Boden auf die Neutronen und ermöglicht es ihm, die Verteilung verschiedener Elemente im Boden mit einer Auflösung von etwa fünf Zentimetern abzubilden. All dies geschieht über der Erde, ohne Löcher, ohne Kerne und ohne Verbrennung. „Es ist, als würde man den Boden einem MRT unterziehen“, sagte Persaud, der wissenschaftlicher Mitarbeiter bei ATAP ist. „Wir erhalten ein dreidimensionales Bild des Bodens und der Kohlenstoffverteilung darin, zusammen mit anderen Elementen wie Eisen, Silizium, Sauerstoff und Aluminium, die alle wichtig sind, um die Beständigkeit von Kohlenstoff im Boden zu verstehen.“

„Was mich an diesem Neutronenbildgebungsansatz wirklich begeistert, ist, dass wir damit die Kohlenstoffverteilung in Böden effektiv und genau in den Größenordnungen abbilden können, in denen die Kohlenstoffbilanzierung erfolgen muss“, fügte Brodie hinzu. „Und wir können dies während der Wachstumsperioden wiederholt tun, um zu sehen, wie es sich mit unterschiedlichen Klimazonen und Landbewirtschaftungspraktiken verändert. Schließlich könnten Sie dies verwenden, um festzustellen, welche spezifischen Landbewirtschaftungspraktiken Kohlenstoff effektiver aus der Atmosphäre ziehen und im Boden speichern .“

„Diese neue Methode zur Kohlenstoffmessung ist ein Beispiel dafür, wie man über den Tellerrand hinausschaut und Forscher mit unterschiedlichem Hintergrund – hier Naturwissenschaften und Erdwissenschaften – zusammenbringt, um neue Technologien zu entwickeln, die den Herausforderungen des Klimawandels begegnen“, sagte Cameron Geddes, Direktor von ATAP.

Im Moment kommt das Projekt gerade aus dem Labor, und Persaud, Brodie und ihre Kollegen werden es bald in echten Böden in einem Freilandsystem testen. „Wir freuen uns sehr, dies nach der Regenzeit hier im Berkeley Lab auf dem Boden zu testen“, sagte Persaud.

„Der nächste Schritt besteht darin, dieses Prozessfeld einsetzbar und automatisierter zu machen, damit es in Dinge wie Mähdrescher und Traktoren integriert werden kann, sodass dies Teil der Sensorfähigkeiten wird, die Sie in landwirtschaftlichen Betrieben und in Wäldern finden“, fügte Brodie hinzu. „Darin liegt wirklich ein riesiges, riesiges Potenzial.“