Mit Physik und 3D-Druck Unkraut jäten

3D-Druck, Nanotechnologie und Unkraut scheinen keine natürliche Kombination zu sein. Für Sonora Ortiz jedoch könnte die Lösung praktischer landwirtschaftlicher Aufgaben mit fortschrittlicher Technologie der Schlüssel zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft sein.

Ortiz ist Studentin an der University of Maine und forscht an der Entwicklung künstlicher Unkräuter mithilfe von 3D-Druck und Nanobeschichtungstechnologie, um die physische Unkrautentfernung zu verbessern und den Einsatz von Pestiziden zu verringern. Für ihre Forschung wurden sie kürzlich mit dem John Jachetta Undergraduate Research Award 2022 der Weed Science Society of America ausgezeichnet.

Bevor sie an die University of Maine kam, arbeitete Ortiz auf landwirtschaftlichen Betrieben in ganz Europa und in ihrer Heimat Südkalifornien. Durch diese Erfahrungen entwickelten sie eine Leidenschaft für nachhaltige Landwirtschaft und Bodensanierung, die sie zu den Studiengängen an der University of Maine führte.

Als Ortiz in Orono ankam, beschlossen sie, Physik zu studieren, aber ihre Leidenschaft für die Landwirtschaft blieb. Sie belegten einen Kurs in Unkrautkunde bei Eric Gallandt, Professor für Unkrautökologie an der School of Food and Agriculture. Als Gallandt fragte, ob Ortiz mit ihm an seiner Forschung über physikalische Unkrautbekämpfung arbeiten wolle – etwa Unkraut zu ziehen, anstatt es mit Herbiziden zu vernichten -, ergriffen sie die Gelegenheit.

“Wenn wir herausfinden, wie wir das machen können, müssen die Menschen keine Chemikalien und andere Dinge verwenden, die schrecklich für die Umwelt sind”, sagte Ortiz. “Ich sehe das als eine Möglichkeit, die nachhaltige Landwirtschaft zu verbessern”.

Der 3D-Druck ist ein nützliches Instrument zur Untersuchung von Unkräutern, denn in der Natur sind einzelne Pflanzen so variabel, dass es schwierig ist, sie kontrolliert zu testen, was Rückschlüsse auf die Wirksamkeit physikalischer Unkrautbekämpfungsmethoden erschwert.

“Wenn wir Tests durchführen, um diese Art von Dingen zu standardisieren, brauchen wir ein Modell, das weniger variabel ist, damit die Daten weniger Rauschen aufweisen”, so Ortiz.

Die Modelle haben weitere Vorteile gegenüber ihren natürlichen Vorbildern. Sie sind nicht nur weniger variabel und bieten mehr Kontrolle in den Studien, sondern sie sind auch wiederverwendbar und erfordern nicht den Zeit- und Arbeitsaufwand, das Unkraut in den Erdbehältern der Versuchsanlagen anzubauen, um es dann wieder herauszuziehen und erneut anzubauen. In früheren Studien wurden Golftees oder Holzdübel verwendet, um die physische Unkrautbekämpfung zu modellieren, aber Ortiz sagte, diese seien “einfach nicht gut genug”.

“Im Grunde genommen ähneln sie dem Unkraut nicht sehr gut”, sagte Ortiz. “Sie sind zwar im Boden, aber das war’s auch schon. Die Einzigartigkeit des 3D-Drucks besteht darin, dass wir so viel mehr modellieren können, um die Wurzelstruktur nachzubilden.”

Das Labor von Galladnt testete einige der in Maine am häufigsten vorkommenden Unkräuter, um die Kraft zu messen, die normalerweise erforderlich ist, um die Pflanze mit all ihren verzweigten Wurzeln, die sich im Boden festhalten, aus dem Boden zu ziehen. Anschließend betrachteten sie die “Kraftkurven” und entwarfen 3D-gedruckte “Wurzeln”, die sich ähnlich verhalten, wenn sie aus dem Boden gezogen werden (obwohl sie zugeben, dass die künstlichen Kurven oft glatter sind als ihre natürlichen Gegenstücke).

Mit dem kürzlich erhaltenen Stipendium kann Ortiz ihre Forschung vertiefen und mit Bashir Khoda, Assistenzprofessor für Maschinenbau, zusammenarbeiten, um Nanobeschichtungen zu entwickeln, die die Ausrichtung der Moleküle auf der Oberfläche der 3D-gedruckten Wurzeln so steuern, dass sie die Kraft der winzigen Wurzelhaare nachahmen.

“Es ist sehr aufregend und super einfach anzuwenden”, sagte Ortiz. “Man taucht die Wurzeln einfach in die flüssige Mischung und das war’s. Es fühlt sich sehr magisch an, weil es auf dieser Nanoskala stattfindet.”

Ortiz wird das Stipendium auch nutzen, um an der Jahreskonferenz der Weed Society of America teilzunehmen und ihre Ergebnisse zu präsentieren.

Ortiz wird ihr Grundstudium im Dezember 2022 abschließen, hofft aber, ihre Forschung an der University of Maine fortzusetzen und ein Studium mit Schwerpunkt Bodenkunde zu absolvieren. Laut Ortiz besteht das langfristige Ziel ihrer Forschung darin, ein ähnliches 3D-Druckverfahren für verschiedene Kulturpflanzen zu entwickeln, damit Methoden der physikalischen Unkrautbekämpfung getestet werden können, die die Kulturpflanzen beim Ausreißen des Unkrauts nicht beschädigen.