NIST & KSU introduceren 'Agricomb' om koeienbroeikasgasemissies nauwkeurig te meten

Na de optical frequency comb zijn debuut maakte als een liniaal voor licht, volgden spinoffs, waaronder de "astrocomb" om sterrenlicht te meten en een radar-achtig comb-systeem om aardgaslekken te detecteren. Nu hebben onderzoekers de "agricomb" onthuld om "koeienburps" te meten. De agricomb kan helpen landbouwprocessen te optimaliseren om de productie van hitte-opvangende broeikasgassen te verminderen.

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en Kansas State University (KSU) gebruikten NIST's agricomb om simultaan emissies van methaan, ammonia, kooldioxide, en waterdamp uit de atmosfeer rond een rundveeveevoerlot in Kansas te meten. Het NIST-apparaat — een twee-comb systeem — identificeert sporgassen gebaseerd op de exacte tinten en hoeveelheden infraroodlicht die geabsorbeerd worden door de atmosfeer wanneer het comb-licht heen en weer gestuurd wordt over open-luchtpaden.

Het draagbare systeem werd opgezet in een trailer geparkeerd naast het veevoerlot. De laserlicht was speciaal versterkt en gefilterd om specifieke gassen te targeten. Onderzoekers maatten gassen langs twee 100-meter paden zowel opwind- als afwindwaarts van hokken met ongeveer 300 koeien. Het experiment richtte zich op methaan en ammonia omdat emissies van vee, voornamelijk runderen, de grootste VS-bron zijn van door mensen geïnduceerde methaan, een belangrijk broeikasgas; en ammonia een belangrijke atmosferische vervuilende stof is.

De metingen vingen emissies op van de verteerprocessen van de runderen en van mest op de grond. De agricomb meet zowel methaan- als ammonianconcentraties op parts-per-million niveau met een precisie van 25 parts per billion. De agricomb-resultaten voor methaan waren vergelijkbaar met die van een commerciële sensor die de lucht bemonsterde aan meerdere inlopen langs de randen van het veevoerlot. Het comb-systeem was met name nuttig voor ammonia omdat dit gas kleverig is en moeilijk te meten met systemen die lucht intrekken. Bovendien kan de agricomb veel gassen simultaan meten, wat uitdagend is voor conventionele systemen.

Ten slotte, hoewel de commerciële sensoren nauwkeurigere achtergrondniveaus sneller maatten, ving de agricomb afwindpluimen nauwkeuriger op en kon de gasbronnen beter karakteriseren, volgens de onderzoekers. De verhoogde precisie zal cruciaal zijn voor geplande toekomstige metingen van methaan van verspreid verdeelde koeien in een weide, wat een veel uitdagender probleem is.

De overeenstemming van de oude en nieuwe technieken geeft vertrouwen dat de agricomb kan worden gebruikt om gassen in landbouwcontexten nauwkeurig te kwantificeren. Voordelen van de agricomb omvatten gevoeligheid voor een breed bereik infraroodlicht, hoge precisie, kalibratievrije detectie van meerdere gassen tegelijk, en flexibiliteit van de meetopstelling. Het koppelen van twee comben met verschillende "tanden" spacing voor het identificeren van exacte kleuren van licht maakt de analyse nog preciezer.

Het schatten van methaanemissies van vee is uitdagend vanwege variaties in beheerpraktijken en rundkenmerken in commerciële boerderijen. Bovendien beïnvloedt wat de runderen eten de emissies, maar wordt niet meegerekend in nationale inventarissen, wat leidt tot grote onzekerheden in broeikasgasemissiemodellen, volgens de onderzoekers. De runderen op het Kansas veevoerlot aten een mengsel van hooi en maïs-silage.

"Voor de toekomst is ons plan om met KSU een weide-metingen te doen, waar de runderen inheemse grassen eten," zei NIST natuurkundige Brian Washburn. "Het andere voer, plus microbiële activiteit in graslandgronden die methaan consumeren, kan betekenen dat er minder atmosferische methaanproductie in de weide is dan in het veevoerlot. De runderen doorbrengen ongeveer 75% van hun leven in de weide, dus deze meting zou representatiever zijn voor netto methaanproductie. Dit zou ook een lastigere meting zijn, aangezien het zou plaatsvinden over een groter gebied, ongeveer 500 meter bij 500 meter, met minder dieren — ongeveer 40 koppen."

De onderzoekers suggereren dat de agricomb precision agriculture kan ondersteunen — het gebruik van nieuwe technologie om opbrengsten te verhogen — door veel gassen simultaan over grote ruimtelijke schalen te meten, wat het mogelijk maakt om schonere en productievere boerderijen te ontwerpen.