​MIT-Ingenieure entwickeln Technologie, die Pflanzenschutzmittel an Pflanzenblättern haften lässt

Ein Team von Forschern des MIT und ein von ihnen gegründetes Spin-off-Unternehmen haben ein System entwickelt, das genau dies ermöglicht. Mit ihrer Technologie werden die Tröpfchen beim Aufsprühen auf das Feld mit einer dünnen Schicht überzogen, so dass sie nicht mehr so leicht von den Blättern abprallen und auf dem Boden landen. Stattdessen bleiben die beschichteten Tröpfchen wie vorgesehen an den Blättern haften.

Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass Landwirte ohne den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln 78 % der Obst-, 54 % der Gemüse- und 32 % der Getreideproduktion einbüßen würden. Trotz ihrer Bedeutung sind die Landwirte aufgrund des Mangels an Technologien zur Überwachung und Optimierung des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln gezwungen, sich auf persönliche Erfahrungen und Faustregeln zu verlassen, um zu entscheiden, wie sie diese Chemikalien einsetzen sollen. Infolgedessen werden diese Chemikalien häufig übermäßig versprüht, was dazu führt, dass sie in die Gewässer gelangen oder sich im Boden ablagern. 

Das Team hatte zuvor einen Weg gefunden, um die Menge der gespritzten Flüssigkeit zu verringern, die von den Blättern abprallt, auf die sie trifft. Dazu wurden zwei Sprühdüsen statt einer verwendet und Mischungen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen gespritzt. Die Landwirte zögerten jedoch, die Kosten und den Aufwand für die Umrüstung ihrer Sprühgeräte auf ein System mit zwei Düsen auf sich zu nehmen. Also suchte das Team nach einer einfacheren Alternative. Sie entdeckten, dass sie die gleiche Verbesserung der Tröpfchenrückhaltung mit einem Ein-Düsen-System erreichen können, das sich leicht an bestehende Sprühgeräte anpassen lässt. Anstatt die Pflanzenschutzmitteltröpfchen elektrisch aufzuladen, beschichten sie jedes Tröpfchen mit einer hauchdünnen Schicht eines öligen Materials.

In ihrer neuen Studie führten sie Laborexperimente mit Hochgeschwindigkeitskameras durch. Wenn sie Tröpfchen ohne spezielle Behandlung auf eine wasserabweisende (hydrophobe) Oberfläche sprühten, die der vieler Pflanzenblätter ähnelt, breiteten sich die Tröpfchen zunächst zu einer pfannkuchenartigen Scheibe aus, prallten dann zu einer Kugel zurück und prallten ab. Beschichteten die Forscher die Oberfläche der Tröpfchen jedoch mit einer winzigen Menge Öl - die weniger als 1 % der Flüssigkeit des Tröpfchens ausmacht -, breiteten sich die Tröpfchen aus und blieben dann an Ort und Stelle. Die Behandlung verbesserte die „Klebrigkeit“ der Tröpfchen um das Hundertfache.

„Wenn diese Tröpfchen auf die Oberfläche treffen und sich ausdehnen, bilden sie diesen Ölring, der das Tröpfchen im Wesentlichen an der Oberfläche festhält“, sagt Rufer. Die Forscher haben eine Vielzahl von Bedingungen ausprobiert, sagt er und erklärt, dass sie Hunderte von Experimenten durchgeführt haben, „mit verschiedenen Aufprallgeschwindigkeiten, verschiedenen Tröpfchengrößen, verschiedenen Neigungswinkeln, all die Dinge, die dieses Phänomen vollständig charakterisieren.“ Obwohl die verschiedenen Öle in ihrer Wirksamkeit variierten, waren sie alle wirksam. „Unabhängig von der Aufprallgeschwindigkeit und den Ölen konnten wir feststellen, dass die Rückprallhöhe deutlich geringer war“, sagt er. 

Der Effekt funktioniere schon bei bemerkenswert geringen Ölmengen. In ihren ersten Tests verwendeten sie 1 % Öl im Vergleich zum Wasser, dann versuchten sie es mit 0,1 % und sogar mit 0,01 %. Die Verbesserung der Tröpfchenhaftung an der Oberfläche hielt bei 0,1 % an, begann aber danach abzubrechen. „Im Grunde genommen hält dieser Ölfilm die Tropfen auf der Oberfläche fest, weil Öl sehr stark von der Oberfläche angezogen wird und das Wasser sozusagen an Ort und Stelle hält“, sagt Rufer.

Bei den ersten Tests verwendeten die Forscher Sojaöl für die Beschichtung, da sie davon ausgingen, dass dies ein vertrautes Material für die Landwirte ist, mit denen sie zusammenarbeiten, von denen viele Sojabohnen anbauen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Landwirte zwar Sojabohnen anbauten, das Öl jedoch nicht in ihrer üblichen Lieferkette für die Verwendung auf dem Hof enthalten war. In weiteren Tests fanden die Forscher heraus, dass mehrere Chemikalien, die die Landwirte bereits routinemäßig beim Sprühen verwendeten, sogenannte Tenside und Adjuvantien, stattdessen eingesetzt werden konnten, und dass einige von ihnen die gleichen Vorteile boten, indem sie die Tropfen auf den Blättern festhielten. „Auf diese Weise“, so Varanasi, “führen wir keine neue Chemikalie oder veränderte Chemikalien in ihr Feld ein, sondern sie verwenden Dinge, die sie seit langem kennen.“

Varanasi und Jayaprakash gründeten ein Unternehmen namens AgZen, um das System zu vermarkten. Um zu beweisen, wie sehr ihr Beschichtungssystem die Menge des auf der Pflanze verbleibenden Spritzmittels verbessert, mussten sie zunächst ein System zur Überwachung des Spritzens in Echtzeit entwickeln. Dieses System, das sie RealCoverage nennen, wurde in Betrieben mit einer Größe von einigen Dutzend bis zu Hunderttausenden von Hektar und vielen verschiedenen Pflanzenarten eingesetzt und hat den Landwirten 30 % bis 50 % ihrer Pflanzenschutzmittelausgaben erspart, indem es die Kontrollen der vorhandenen Spritzmittel verbessert hat. Nach Angaben des Unternehmens wird dieses System bis 2025 auf 920.000 ha Anbaufläche eingesetzt, u.a. in Kalifornien, Texas, dem Mittleren Westen, Frankreich und Italien. Durch den Einsatz des Tarnsystems mit neuen Düsen, so die Forscher, dürfte sich die Effizienz mindestens noch einmal verdoppeln.

„Man könnte den US-Landwirten eine Milliarde Dollar zurückgeben, wenn man nur 6 % ihres Pflanzenschutzmittelbudgets einsparen würde“, sagt Jayaprakash, Hauptautor der Forschungsarbeit und CEO von AgZen. „Im Labor haben wir 300 % des zusätzlichen Produkts auf der Pflanze. Das bedeutet, dass wir die Menge an Pflanzenschutzmitteln, die die Landwirte versprühen, um Größenordnungen reduzieren können.“