'Agricomb' meet meerdere gasemissies van ... koeien

Nadat de optische frequentiekam zijn debuut maakte als een liniaal voor licht, volgden spin-offs, waaronder de "astrocomb" om sterrenlicht te meten en een radarachtig kamsysteem om aardgaslekken te detecteren. Nu hebben onderzoekers de "agricomb" onthuld om "koeienboeren" te meten. De agricomb kan helpen bij het optimaliseren van landbouwprocessen om de productie van warmte-ophoudende broeikasgassen te verminderen.

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Kansas State University (KSU) gebruikten de agricomb van NIST om gelijktijdig de uitstoot van methaan, ammoniak, kooldioxide en waterdamp uit de atmosfeer rond een voederplaats voor vleesvee in Kansas te meten. Het NIST-apparaat — een systeem met twee kammen — identificeert sporengassen op basis van de exacte tinten en hoeveelheden infrarood licht die door de atmosfeer worden geabsorbeerd wanneer het kamlicht heen en weer wordt gestuurd over paden in de open lucht.

Het draagbare systeem was opgesteld in een trailer die naast de feedlot geparkeerd stond. Het laserlicht werd speciaal versterkt en gefilterd om specifieke gassen te richten. Onderzoekers hebben gassen gemeten langs twee paden van 100 meter, zowel tegen de wind in als tegen de wind in van hokken met ongeveer 300 koeien. Het experiment was gericht op methaan en ammoniak omdat emissies van vee, voornamelijk runderen, de grootste Amerikaanse bron zijn van door mensen veroorzaakt methaan, een belangrijk broeikasgas; en ammoniak is een belangrijke luchtverontreinigende stof.

De metingen legden emissies vast van de spijsverteringsprocessen van het vee en van mest op de grond. De agricomb mat zowel methaan- als ammoniakconcentraties op deeltjes-per-miljoen-niveaus met een precisie van 25 delen per miljard. De agricomb-resultaten voor methaan waren vergelijkbaar met die van een commerciële sensor die de lucht bemonsterde bij meerdere inlaten langs de randen van de feedlot. Het kamsysteem was vooral handig voor ammoniak omdat dit gas plakkerig is en moeilijk te meten met systemen die lucht aanzuigen. Bovendien kan de agricomb veel gassen tegelijk meten, wat een uitdaging is voor conventionele systemen.

Ten slotte, terwijl de commerciële sensoren sneller precieze achtergrondniveaus meten, ving de agricomb volgens de onderzoekers de pluimen voor de wind nauwkeuriger op en kon dan de gasbronnen beter karakteriseren. De verhoogde precisie zal van cruciaal belang zijn voor geplande toekomstige metingen van methaan van dun verspreide koeien in een weiland, wat een veel uitdagender probleem is.

De overeenstemming van de oude en nieuwe technieken wekt vertrouwen dat de agricomb kan worden gebruikt om gassen in landbouwcontexten nauwkeurig te kwantificeren. Voordelen van de agricomb zijn onder meer gevoeligheid voor een breed scala aan infraroodlicht, hoge precisie, kalibratievrije detectie van meerdere gassen tegelijk en flexibiliteit van de meetopstelling. Het koppelen van twee kammen met verschillende afstanden van "tanden" voor het identificeren van exacte lichtkleuren maakt de analyse nog nauwkeuriger.

Het schatten van methaanemissies van vee is een uitdaging vanwege variaties in managementpraktijken en veekenmerken in commerciële boerderijen. Bovendien is wat het vee eet van invloed op de uitstoot, maar wordt dit niet vermeld in nationale inventarissen, wat volgens de onderzoekers tot grote onzekerheden leidt in de modellen voor de uitstoot van broeikasgassen. Het vee op de weidegrond in Kansas at een mix van hooi en maïskuilvoer.

"Voor de toekomst is ons plan om met KSU samen te werken om een ​​weidemeting uit te voeren, waarbij het vee inheemse grassen eet", zei NIST-natuurkundige Brian Washburn. “Het andere voer, plus de microbiële activiteit in graslandbodems die methaan verbruiken, kunnen leiden tot minder atmosferische methaanproductie in de wei dan in de weide. De runderen brengen ongeveer 75% van hun leven in de wei door, dus deze meting zou meer representatief zijn voor de netto methaanproductie. Dit zou ook een moeilijkere meting zijn, omdat het zou plaatsvinden over een groter gebied, ongeveer 500 meter bij 500 meter, met minder dieren - ongeveer 40 stuks.”

De onderzoekers suggereren dat de agricomb precisielandbouw kan ondersteunen - het gebruik van nieuwe technologie om de opbrengsten te verhogen - door veel gassen tegelijkertijd te meten over grote ruimtelijke schalen, waardoor het mogelijk wordt schonere en productievere boerderijen te ontwerpen.