25.07.2017

Nutzerforschung am BER II: Lupinenwurzeln beim Trinken zugeschaut

Zeitaufgelöste Tomographie einer Lupinenwurzel (gelbgrün), nachdem deuteriertes Wasser (D2O) von unten zugegeben wurde. Der Zeitverlauf zeigt die aufsteigende Wasserfront (H2O, dunkelblau), die durch das D2O von unten verdrängt wird. Die komplette Abfolge ergibt ein Video. Urheber: Christian Tötzke © Universität Potsdam

Lupinen bilden nicht nur bunte Blüten aus, sondern auch nahrhafte, eiweißreiche Bohnen. Wie diese Pflanzen mit ihren Wurzeln im Boden Wasser ziehen, hat nun ein Team der Universität Potsdam an der Berliner Neutronenquelle BER II erstmals in 3D beobachtet. Dafür verbesserten sie zusammen mit der HZB-Bildgebungsgruppe die Zeitauflösung der Neutronentomographie gleich um mehr als das Hundertfache: Alle zehn Sekunden erstellten sie eine detaillierte 3D-Aufnahme. Diese ultraschnelle Neutronentomographie ist auch für die Analyse dynamischer Prozesse in porösen Materialien generell geeignet.

Bodenforscher um Prof. Dr. Sascha Oswald von der Universität Potsdam sind regelmäßig Messgäste an der Neutronenquelle BER II. Denn Neutronen eignen sich hervorragend, um den Wassertransport im Boden und Pflanzenwurzeln zu beobachten. Dafür nutzen sie zusätzlich auch schweres, deuteriertes Wasser, das sich mit Hilfe von Neutronen sehr gut von normalem Wasser unterscheiden lässt. Mindestens eine Stunde Messzeit war bisher nötig, um an der Bildgebungsanlage CONRAD-2 mit Neutronentomographie eine detaillierte dreidimensionale Karte der Wasserverteilung zu erstellen.

Nun brachen die Forscher mit dem Paradigma, dass sich das Bild-Objekt während der Aufnahme möglichst wenig bewegen sollte, wie dies auch in der Fotografie die Regel ist. Sie ließen die Lupinenpflanze im Bodenzylinder langsam, aber durchgängig rotieren, während fortlaufend sehr kurze Aufnahmen gemacht wurden. Zusammen mit passgenauen technischen Veränderungen an CONRAD-2 durch die HZB-Experten Dr. Nikolay Kardjilov und Dr. Ingo Manke erreichte das Team dadurch, dass solche 3D-Kartierungen nun in nur zehn Sekunden gelingen.

Damit konnten die Potsdamer Forscher erstmals in 3D beobachten, wie Wasser aus dem Boden in die Höhe steigt und wie Wurzeln dies dabei aufnehmen. „Dies war bislang mit dieser Zeitauflösung nur in Durchsicht durch die Probe, also in 2D, möglich“, erklärt Dr. Christian Tötzke, Erstautor der Studie, die nun in „Scientific Reports“ erschienen ist.

Die Ergebnisse erweitern das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Böden, was sich bis hin zur Zucht und Anbau von solchen Nutzpflanzen auswirken könnte. Und die neue Aufnahmetechnik, die gut 100mal schneller ist als zuvor, könnte es auch in anderen Proben ermöglichen, schnelle Prozesse in Echtzeit zu beobachten, etwa in Brennstoffzellen, Batterien oder Baustoffen.

Die Ergebnisse sind Open Access in Scientific Reports (2017) erschienen.  “Capturing 3D Water Flow in Rooted Soil by Ultra-fast Neutron Tomography”,  C. Tötzke, N. Kardjilov, I. Manke, S. E. Oswald.

DOI:10.1038/s41598-017-06046-w

Das Video kann hier im Abschnitt "supplementary Information" in der Publikation heruntergeladen werden.

arö