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Schnellere 3D-Neutronenbildgebung

Neutronenstrahl „filmt“ Pflanzen beim Trinken

| Autor/ Redakteur: Dr. Antonia Rötger* / Christian Lüttmann

Mit einem besonders energiereichen Neutronenstrahl haben Forscher den Wurzeln von Pflanzen beim Trinken zugesehen. Die Neutronentomographie am französischen Institut Laue Langevin erlaubte eine sieben Mal schnellere Bilderzeugung als bisher. Auch bei Transportprozessen in anderen Materialien, z.B. in Batterien, könnte die Methode nützlich sein.

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Die zeitaufgelöste 3D-Neutronentomographie zeigt den Aufstieg von deuteriertem Wasser im Wurzelsystem einer Lupinenpflanze.
Die zeitaufgelöste 3D-Neutronentomographie zeigt den Aufstieg von deuteriertem Wasser im Wurzelsystem einer Lupinenpflanze.
(Bild: C. Tötzke/Uni Potsdam)

Berlin, Potsdam, Grenoble/Frankreich – Wenn Menschen Durst haben, dann trinken sie ein Glas Wasser. Für Pflanzen ist die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen etwas aufwändiger, auch wenn es auf den ersten Blick nicht so scheint. Tatsächlich kommt es dabei aber zu komplexen Wechselwirkungen zwischen den Wurzeln und dem umgebenden Boden. „Die tomographische Methode ermöglicht es, die Wasserflüsse im Boden und in den Wurzeln im Zeitverlauf festzuhalten“, sagt Dr. Christian Tötzke von der Universität Potsdam.

Gemeinsam mit seinem Team und Forschern aus Potsdam und dem französischen Grenoble hat er eine bekannte Methode weiterentwickelt, mit der man nun sozusagen Pflanzen beim Trinken zusehen kann. „Diese Einsichten können dabei helfen, Strategien zum effizienteren und nachhaltigeren Einsatz von Wasser und Dünger beim Anbau von Nutzpflanzen zu entwickeln,“ ergänzt Tötzke.

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Einblicke in Wurzeln und Umgebung

Das bildgebende Verfahren der Forscher ist eine Weiterentwicklung der Neutronentomographie. Neutronen reagieren empfindlich auf leichte Elemente wie Wasserstoff. Daher lässt sich mit Neutronentomographie der Wassergehalt präzise kartieren, sowohl in den Wurzeln als auch im umgebenden Boden.

Das Wasser im umgebenden Erdreich ist dabei ein wichtiger Faktor für den Trinkprozess der Pflanze. Denn wie Pflanzen sich mit Wasser und Nährstoffen versorgen können, hängt maßgeblich von Eigenschaften der Rhizosphäre ab, einer wenige Millimeter dicken Bodenschicht, welche die Wurzeln umgibt. Dieser Bereich umfasst nicht nur die mineralischen und organischen Bestandteile des Bodens, sondern wird durch Ausscheidungen der Wurzeln und durch die Aktivität von Mikroorganismen beeinflusst.

Sieben Mal schnellere Bildfolge

Bisher dauerten 3D-Aufnahmen mit zeitaufgelöster Neutronenbildgebung mindestens zehn Sekunden pro Aufnahme. Damit war es schwierig, schnelle Prozesse wie die Infiltrierung des Wurzelraumes mit Wasser im Detail zu dokumentieren. Um mehr Aufnahmen in kürzerer Zeit zu ermöglichen, optimierte ein Team um Dr. Nikolay Kardjilov vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) die Methode. Dieser Teil der Arbeit erfolgte am kürzlich eröffneten Tomographieinstrument Next-Grenoble des Instituts Laue-Langevin (ILL) in Frankreich.

Das Herausstellungsmerkmal der ILL-Neutronenquelle ist ein 60 Megawatt starker Forschungsreaktor, der das System mit kalten Neutronen versorgt. Damit ist es gelungen, die Aufnahmezeit pro Tomogramm auf etwa 1,5 Sekunden zu reduzieren. „Das Ergebnis übertraf unsere Erwartungen. So war die Erfassungsrate höher als erwartet. Gleichzeitig konnten aber auch das Signal-Rausch-Verhältnis und die räumliche Bildauflösung verbessert werden“, sagt Tötzke.

Von Wurzeln zur Batterieforschung?

Nachdem durch die Versuche am ILL die technische Machbarkeit der ultraschnellen Neutronentomographie nachgewiesen ist, arbeiten die Forscher nun daran, die Methode weiter zu verbessern. Das Ziel ist, zukünftig auch in anderen Materialsystemen schnelle Transportprozesse untersuchen zu können.

So könnte die Hochgeschwindigkeits-Neutronentomographie z.B. neue Erkenntnisse über die hydraulische Frakturierung poröser Gesteinsformationen liefern oder zur Untersuchung des Ionen-Transfers während schneller Auf- und Entladungen von Lithium-Akkus eingesetzt werden, um die Sicherheit, Kapazität und Haltbarkeit solcher Energiespeicher zu erhöhen.

Originalpublikation: C. Tötzke, N. Kardjilov, N. Lenoir, I. Manke, S.E. Oswald, A. Tengattini: What comes NeXT? – High-Speed Neutron Tomography at ILL, Optics Express, Vol. 27, Issue 20, pp. 28640-28648 (2019); DOI: 10.1364/OE.27.028640

* Dr. A. Rötger, Helmholtz-Zentrum Berlin, 14109 Berlin

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