Schon gewusst? Künstliche Leuchtsamen können die Umwelt überwachen

Eine flächendeckende Erfassung von Umweltparametern wie Bodenfeuchte und -temperatur hat für Landwirt:innen viele Vorteile: Durch genaue Kenntnisse solcher Daten können sie ihre Anbau- und Bewässerungspraktiken optimieren. Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung von Ressourcen wie Wasser und Düngemitteln und eine Ertragsoptimierung. Auch die Kosten lassen sich so minimieren.

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Die Grundidee: flächendeckende Verteilung von Minisonden

Um genau das in die Praxis umzusetzen, werden auf den Feldern eine Vielzahl von Sonden benötigt, mit denen die Daten flächendeckend erfasst werden können. Die Herausforderungen dabei:

• Die Sonden müssen sich ohne allzu großen Aufwand auf den landwirtschaftlichen Flächen verteilen lassen.
• Alle Komponenten müssen biologisch abbaubar sein, um keine Umweltbelastungen zu verursachen – ein Einsammeln hunderter oder gar tausender Sonden wäre ein zu aufwändiges Unterfangen.
• Sie müssen die Daten ohne elektrischen Strom und elektronische Bauteile erfassen und übermitteln können – eine Versorgung der Sonden durch Batterien und elektrischen Schaltkreisen würde der biologischen Abbaubarkeit entgegenstehen.

Nach dem Vorbild der Natur

Das europäische Forschungsprojekt Acer I-Seed hat dazu nun Pionierarbeit geleistet. Die Projektpartner Istituto Italiano di Tecnologia in Genua (ITT) und das Saarbrücker INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien ließen sich für die einfache und möglichst gleichmäßige Verteilung von ihren sogenannten I-Seed-Minisonden von der Natur inspirieren: Die Sonden haben die Form der Samen des Feldahorns (Acer campestre). Diese flügelähnlichen Ahornsamen rotieren wie ein Hubschrauberblatt in der Luft, haben dadurch eine relativ geringe Sinkgeschwindigkeit und werden so vom Wind über große Entfernungen getragen. Mit Drohnen können die Sonden so einfach über Felder großflächig verteilt werden.

Kompostierbares Material mit eingebettetem Farbstoff

Die samenförmigen Sonden produziert das Forschungsteam in 3D-Druckern aus kompostierbarem Material auf Basis von Polylactid (PLA), auch Polymilchsäure genannt. Ein weiterer Clou: In diesen Biokunstoff betten die Forscher:innen fluoreszierende Partikel, die je nach Temperatur ihre Farbe verändern. Laut den Forscher:innen enthalten die Partikel sogenannte Lanthanide, die ebenfalls umweltverträglich sind.

Datenerfassung ohne Stromversorgung

Das ist auch der Grund, warum die I-Seeds keine Stromversorgung und elektronische Bauteile benötigen. Die temperaturabhängige Farbänderung der Sonden lässt sich mit darüber fliegenden Drohnen auslesen. Die Drohnen besitzen dazu einen Laserscanner, der die Fluoreszenzspektren der einzelnen Sonden präzise über größere Entfernungen erfasst. Für die Zukunft sei auch die Integration fluoreszierender Partikel geplant, die auf andere wichtige Umweltparameter mit Farbänderungen reagieren, wie Luftfeuchtigkeit, CO₂-Gehalt oder Schadstoffkonzentration, so die Forscher:innen.

Quelle:
Cikalleshi, K. et al. (2023): „A printed luminescent flier inspired by plant seeds for eco-friendly physical sensing“. In: Sci. Adv. Vol 9, Issue 46 (15. Nov. 2023). doi: 10.1126/sciadv.adi8492

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

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Titelbild: Ein Acer I-Seed kann per Lumineszenz Bodentemperaturen anzeigen. (Bildquelle: © Istituto Italiano di Tecnologia (IIT))