Neuer Rekord: Forscher haben Pflanzen erstmals genauer beim Wassertrinken beobachtet. Mithilfe der sogenannten Neutronentomografie konnten sie den Transport vom Wasser in die Wurzeln dabei so detailliert verfolgen wie niemals zuvor. Denn das von ihnen optimierte Verfahren erzeugt alle 1,5 Sekunden ein Bild – und ist damit fast siebenmal schneller als bisherige Methoden. In Zukunft soll davon nicht nur die Pflanzenforschung profitieren.
Ihre Wurzeln sind für Pflanzen lebenswichtig. Denn sie verankern die Gewächse im Boden und versorgen sie mit Wasser und Nährstoffen. Bei der Aufnahme dieser Stoffe kommt es zu komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Pflanzenorganen und dem Boden. Doch was passiert dabei im Detail – und welche Faktoren beeinflussen, wie gut sich die Pflanze versorgen kann?
Wie Wurzeln trinken, können Forscher mithilfe der sogenannten Neutronentomografie beobachten. „Die tomografische Methode ermöglicht es, die Wasserflüsse im Boden und in den Wurzeln im Zeitverlauf festzuhalten“, erklärt Christian Tötzke von der Universität Potsdam. Die Bilder entstehen dabei ähnlich wie Röntgenaufnahmen. Weil Neutronen bereits an leichten Elementen wie dem im Wasser enthaltenen Wasserstoff stark gestreut werden, können mit diesem Verfahren jedoch auch wasserstoffhaltige Proben sehr kontrastreich abgebildet und so zum Beispiel der Wassergehalt in den Wurzeln präzise kartiert werden.
Mehr Aufnahmen in kürzerer Zeit
Bislang war der Blick ins Innere der Pflanze allerdings beschränkt. Denn die dreidimensionalen Bilder mit zeitaufgelöster Neutronenbildgebung dauerten mindestens zehn Sekunden pro Aufnahme. Damit war es schwierig, schnelle Prozesse wie die Infiltrierung des Wurzelraumes mit Wasser im Detail zu dokumentieren, wie Tötzke und seine Kollegen berichten. Um dies zu ändern, haben sie die Methode nun optimiert.
Die Wissenschaftler profitierten dabei vom Tomografieinstrument NeXT-Grenoble vom Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, das durch einen 60 Megawatt starken Forschungsreaktor mit kalten Neutronen versorgt wird. Unter Ausnutzung des sehr viel intensiveren Neutronenstrahles gelang es ihnen schließlich, mehr Aufnahmen in kürzerer Zeit zu ermöglichen.
Nachhaltiger bewässern und düngen
Konkret erzeugt die von ihnen entwickelte ultrakurze Neutronentomografie alle 1,5 Sekunden eine vollständige 3D-Aufnahme – das ist fast siebenmal schneller als der bisherige Rekord. „Das Ergebnis übertraf sogar unsere Erwartungen“, berichtet Tötzke. „So war die Erfassungsrate höher als erwartet. Gleichzeitig konnten aber auch das Signal-Rausch-Verhältnis und die räumliche Bildauflösung verbessert werden.“
Wie gut das Verfahren funktioniert, zeigten die Forscher am Beispiel einer Lupinenpflanze. Ihrer Ansicht nach machen die schnellen Aufnahmen in Zukunft neue Erkenntnisse zu den Aufnahmeprozessen in den Wurzeln unterschiedlicher Pflanzenarten möglich. „Diese Einsichten können dabei helfen, Strategien zum effizienteren und nachhaltigeren Einsatz von Wasser und Dünger beim Anbau von Nutzpflanzen zu entwickeln“, erläutert Tötzke.
Blick in Akkus und Gestein
Doch nicht nur das: Die Wissenschaftler arbeiten bereits daran, ihre Methode weiter zu verbessern und künftig auch in anderen Materialsystemen schnelle Transportprozesse sichtbar zu machen. So könnte die Hochgeschwindigkeits-Neutronentomografie zum Beispiel neue Erkenntnisse über die hydraulische Frakturierung poröser Gesteinsformationen liefern.
Denkbar wäre zudem die Untersuchung des Ionentransfers während schneller Auf- und Entladungen von Lithium-Akkus, um die Sicherheit, Kapazität und Haltbarkeit solcher Energiespeicher zu erhöhen, wie das Team erklärt. (Optics Express, 2019; doi: 10.1364/OE.27.028640)
Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
