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Fluoreszenz im Labor
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Gesunde Pflanzen "leuchten"

12/02/2014 1918 views 6 likes
ESA / Space in Member States / Germany

Ein strahlender Teint gilt als Anzeichen dafür, dass ein Mensch gesund ist. Aber auch Pflanzen leuchten, wenn es ihnen gut geht. Ein potenzieller neuer ESA-Satellit könnte diese Fluoreszenz nutzen, um die Gesundheit und Produktivität von Pflanzen auf der ganzen Welt zu erfassen.

Der Fluorescence Explorer, kurz FLEX, könnte der achte Earth Explorer der ESA werden. Dieser Satellit soll globale Karten der Pflanzenfluoreszenz liefern, die genutzt werden könnten, um tatsächliche Photosynthese-Aktivitäten zu analysieren.

Die Ergebnisse könnten helfen, den Austausch von Kohlenstoff zwischen Pflanzen und der Atmosphäre und seinen Einfluss auf die Kohlenstoff- und Wasserkreisläufe besser zu verstehen.

Der Satellit FLEX könnte darüber hinaus die landwirtschaftliche Produktivität steigern, indem er neue Informationen liefert, die das Management von Wasser und Dünger verbessern.

Nachdem das Chlorophyll einer Pflanze Sonnenlicht absorbiert hat, leuchtet der Kern des Photosynthese-Vorgangs rot auf – er fluoresziert. Dieses Leuchten zeigt an, wie intensiv die Pflanze Photosynthese betreibt, wie gut sie „atmet“, wie gesund sie ist.

Hyflex-Projekt
Hyflex-Projekt

Die Fluoreszenz einer Pflanze zu messen ist allerdings eine wahre Herausforderung. Wie bei den meisten neuen Satellitentechnologien muss das entwickelte Konzept zunächst in einem Flugzeug getestet werden. Erst wenn es dort funktioniert, kann man überlegen, ein solches Instrument zu bauen und ins All zu schießen.

Bis vor Kurzem gab es keine Luftbildsensoren, die Fluoreszenz über weite Gebiete hinweg aufzeichnen konnten. Über Jahre war es extrem schwierig, dieses relativ schwache Leuchten überhaupt außerhalb des Labors auf Äckern oder in Wäldern nachzuweisen.

Das deutsche Forschungszentrum Jülich und das finnische Unternehmen Specim haben jedoch einen neuartigen Hyplant-Luftbildsensor entwickelt, der umfangreichen Tests unterzogen wurde.

Im Rahmen dieser Testreihe hat der Sensor verschiedene Pflanzenarten in ganz Europa und sogar in Teilen der USA erfasst.

Fluoreszenz verschiedener Pflanzen
Fluoreszenz verschiedener Pflanzen

Hyplant besteht aus zwei „abbildenden Spektrometern“. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um zwei Kameras, die auf unterschiedlichen Wellenlängen funktionieren. Die erste erstellt großflächige Aufnahmen und deckt die Wellenlängen Blau bis mittleres Infrarot ab. Die zweite deckt Rot bis nahes Infrarot ab und unterteilt die Wellenlängen sehr fein, um die Fluoreszenz aufzuzeichnen.

Nach über 100 Flugzeug-Tests im Jahr 2012 wurden die von Hyplant erfassten Daten jetzt in Fluoreszenz-Karten mit übereinstimmenden Ergebnissen zusammengefasst.

„Mit Hyplant steht uns eine getestete Technologie zur Verfügung, die wir vom Flugzeug aus steuern können. Damit können wir das Potenzial der FLEX-Kandidatenmission voll ausschöpfen“, sagt Dirk Schüttemeyer, ESA-Koordinator des Projekts.

„Wir sind jetzt gespannt, Messungen über Wäldern zu analysieren und Anwendungen sowie Produkte zur Pflanzengesundheit zu entwickeln.“

Wie das obige Bild zeigt, wurde die stärkste Fluoreszenz bei Zuckerrüben aufgezeichnet. Die Zuckerrübe ist eine zweijährige Pflanze, die noch im Oktober grün ist und dichte, gesunde Laubblätter aufweist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zuckerrübe zu dieser Jahreszeit zu den Nutzpflanzen mit der aktivsten Photosynthese gehört.

Apfelplantagen, natürliche Pinien- und Mischwälder fluoreszieren dagegen weniger. Gebiete ohne Pflanzen wie etwa vegetationsloser Boden, Straßen und Gebäude fluoreszieren überhaupt nicht.

Matthias Drusch, ESA-Wissenschaftler für FLEX, sagt: „Zum ersten Mal liegt uns nun der wissenschaftliche Machbarkeitsnachweis vor, dass wir tatsächlich Messungen zur Fluoreszenz verschiedener landwirtschaftlicher Pflanzenarten aus der Luft vornehmen können.“

„Diese neue Art von Beobachtungstechnologie könnte potenziell einen entscheidenden Beitrag zur Phänotypisierung, dem Beobachten von Pflanzencharakteristika und -merkmalen, sowie zur Entwicklung von Anwendungen, unter anderem für präzisionsgenaue Landwirtschaft und gesteuerte Tierzucht, leisten.“

Als nächstes soll untersucht werden, wie man das Instrument für die Entwicklung solcher Anwendungen nutzen kann. Der Schwerpunkt soll dabei auf Waldgebieten und landwirtschaftlichen Feldern liegen sowie auf ferngesteuerten Geräten, die den Aufbau von Pflanzen beschreiben, etwa die variierenden chemischen Zusammensetzungen, die von Blattpigmenten gesteuert werden.

Ein Workshop zu den jüngsten Entwicklungen findet vom 22. bis 24. April bei der französischen Weltraumagentur CNES in Paris statt.

Neben FLEX wird derzeit die CarbonSat-Mission als potenzieller achter Earth Explorer der ESA untersucht. CarbonSat soll atmosphärisches Kohlendioxid und Methan quantifizieren und überwachen.

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