Att använda toppmodern plasmateknik för att göra billig gödselmedel för småbönder kan låta som magi, men det har nu blivit verklighet. Forskare vid Eindhovens tekniska universitet (TU/e) har byggt en liten plasmadriven anläggning som producerar kvävebaserad flytande gödsel enbart med hjälp av sol, vatten och luft. "Anläggningen är lätt att sätta upp, hållbar och mycket effektiv, säger TU/e-forskaren Fausto Gallucci, som tillsammans med partners i Afrika, Tyskland och Portugal har gjort framgångsrika tester av enheten i Uganda. "Vi vill nu ta ut minifabriken på marknaden, så att den blir tillgänglig för bönder runt om i världen."

Att föda en växande världsbefolkning är en enorm utmaning. Prognoser säger att det kommer att finnas 8,6 miljarder människor på vår planet år 2030, och nästan 10 miljarder år 2050. Konstgjorda gödselmedel, i synnerhet kvävebaserade gödselmedel, spelar en nyckelroll för att möta denna utmaning.

Vital kväve

Kväve är ett av de tre huvudsakliga makronäringsämnena som används av växter för att växa (bredvid fosfor och kalium. Under 2015 matades ungefär varannan människa av mat som odlades med kvävebaserad gödsel, en andel som förväntas öka under de kommande åren.

Även om det är allmänt tillgängligt i den utvecklade världen, konstgödsel är inte lika vanligt i utvecklingsländerna. I Afrika, där 60 procent av alla jordbrukare har mindre än en hektar mark till sitt förfogande, bönder har ofta inte pengar att köpa grejerna. Dessutom, gödselmedel produceras ofta av stora multinationella företag, som endast levererar i bulk och från centrala platser.

Lågteknologisk

Det är här som Leap-Agris Afrikaprojekt kommer in. Det använder en småskalig reaktor för att tillverka flytande kvävebaserad gödsel som kan användas av alla jordbrukare som har tillgång till solljus och vatten.

Även om tekniken bakom det är ganska toppmodern, applikationen är mycket lågteknologisk. "Vi skickade ett system baserat på vår plasmareaktor till National Agricultural Research Organisation (NARO) i Uganda som aldrig tidigare hade arbetat med plasmateknik, och de kunde producera gödningsmedel inom en månad, säger Fausto Gallucci, professor vid institutionen för kemiteknik och kemi.

"Vårt system är litet, enkelt och väldigt snabbt. När du slår på den, det är verkligen en fråga om sekunder innan den börjar producera gödsel. Detta gör den också väldigt flexibel:du kör den bara när solen skiner och du behöver gödsel."

Cool plasma

Så hur fungerar den här enheten? Professor Gallucci förklarar:"Vår minianläggning använder plasmateknologi. Plasma, som du vet, är materiens fjärde tillstånd och består av joniserade atomer och molekyler. Du kanske är bekant med det från blixtar eller neonskyltar, som båda består av plasma."

Plasman som används i gödningsanläggningen är icke-termisk:medan elektronerna som driver reaktionen når extremt höga temperaturer, gasen som omger kan hålla sig relativt sval. Detta sparar naturligtvis energi.

Det gör plasmateknik till ett attraktivt alternativ till det traditionella sättet att producera kväve, den så kallade Haber–Bosch-processen, som kräver både högt tryck och höga temperaturer. Det uppskattas att Haber-Bosch-processen förbrukar 1 till 2 % av världens totala energi, släpper ut cirka 300 miljoner ton koldioxid ₂ varje år i luften.

Fixering av kvävet

Att göra kvävebaserad gödning i en plasmareaktor innebär en process som kallas kvävefixering. Medan 78 procent av luften består av N2, gasen reagerar inte med andra grundämnen (den är kemiskt inert). Detta gör det svårt för växter att använda.

Kvävefixering löser detta problem. Det omvandlar kvävet (N ₂ ) från luften till NOx, som i sin tur reagerar med syre och vatten för att bilda nitrat (NO _{3 -} ). Detta kan sedan användas som ingrediens för flytande gödningsmedel.

"För att få igång konverteringsprocessen, " förklarar Sirui Li, forskare i professor Galluccis grupp, "N ₂ molekyler måste först "aktiveras" genom att införa en elektrisk laddning. Detta säkerställer att bindningarna som håller samman kväveatomerna bryts, skapa ett plasma."

När det gäller minianläggningen Leap Agri, elektriciteten för plasmagenerering tillhandahålls av solenergi, en billig och hållbar källa som är allmänt tillgänglig i utvecklingsländer.

Effektivt och tillgängligt

Processen är mycket effektiv:den producerar ett flytande gödningsmedel med en hög nivå av nitrat som lätt kan assimileras av växter. En analys gjordes i Uganda av NARO-forskaren Stella Kabiri, som jämförde detta gödselmedel med andra gödselmedel på den lokala marknaden. Resultatet visade att nitrathalten var cirka 20 procent, vilket är 14, 42 och 51 procentenheter högre än de fasta gödselmedlen Ammoniumnitrat, NPK respektive Urea.

"Mer viktigt, det flytande gödselmedlet kan produceras på plats och på begäran, så att varje bonde kan välja exakt den mängd gödselmedel och nitrathalt som hon behöver för sin gröda och mark, säger Sirui Li.

För närvarande är kostnaden för minianläggningen fortfarande ganska hög (cirka 70, 000 euro), men Gallucci förväntar sig att priset kommer att sjunka avsevärt när det väl produceras i större skala. "En dag, småbrukare i Afrika kommer att kunna köpa sin egen gödselenhet, antingen individuellt eller kollektivt som en by. Kollektivet kan sedan hyra ut minianläggningen till sina medlemmar, eller sälja gödselmedlet till andra byar."