Die Landwirtschaft in Wüstengebieten beginnt üblicherweise mit dem Import von Tonnen von Kompost oder synthetischen Hydrogelen – teure Hilfsmittel, die sich kleine Betriebe selten leisten können. Eine neue Studie ersetzt beides durch eine dünnere, kostengünstigere Schicht aus Nanocellulose, die aus den 32 % der Ananasmasse gewonnen wird, die normalerweise nach der Saftherstellung verworfen werden.
Forscher zerkleinerten Schalen, extrahierten die Rohfasern mit heißer Lauge, bleichten das Lignin aus und vermahlten den Zellstoff kurz in einer Kugelmühle. So entstand ein durchscheinendes Gel, das bereits bei einem Feststoffgehalt von 1,1 % aushärtet. In Sand eingerührt, bilden die Fibrillen ein durchlässiges Netzwerk, das die schnellsten Abflusswege blockiert, ohne die Poren vollständig zu verschließen. Permeametertests mit fallendem Kopf zeigen, dass die Wasserdurchlässigkeit bei einer Dosierung von 1 % von 32 cm/min auf 12 cm/min und bei 2 % auf nur noch 5 cm/min sinkt – eine Reduzierung um 90 %, die mit Polyacrylamidkristallen vergleichbar ist, die fünfzigmal so viel kosten.
Das gleiche Netzgewebe bindet Nährstoffe. ICP-OES-Analysen von Phosphatdüngerlösungen zeigten eine 60%ige Rückhaltung in mit Nanocellulose angereicherten Säulen gegenüber 30% in reinem Sand. Dies ist auf die innere Komplexbildung zwischen Phosphat und Oberflächenhydroxylgruppen zurückzuführen, die durch DFT-Studien belegt wurde. Da die Fasern anionisch sind, stoßen sie Carbonat- und Chloridionen ab und verhindern so die bei kommerziellen Superabsorbern häufig auftretende Salzablagerung.
Die mechanische Belastbarkeit ist für windgeformte Dünen von Bedeutung. Mit 1 % gebleichten, kugelgemahlenen Fasern versetzte Kompressionspellets erreichten eine Bruchspannung von 0,5 MPa und eine Zähigkeit von 0,08 MJ m?³ – das Vierfache der Kohäsion von unbehandeltem Sand – und ließen gleichzeitig eine Dehnung von 10 % vor dem Versagen zu, was für das Wurzelwachstum ausreichend ist. Nach acht Nass-Trocken-Zyklen blieb die hydraulische Leitfähigkeit stabil, solange die relative Luftfeuchtigkeit über 30 % lag; extreme Austrocknung (<10 % r. F.) erhöhte die Durchlässigkeit vorübergehend, die Eigenschaften erholten sich jedoch nach der Wiederbefeuchtung, was darauf hindeutet, dass kurze Trockenperioden die Wirkung des Bodenverbesserungsmittels nicht beeinträchtigen.
Daten zur biologischen Abbaubarkeit beruhigen diejenigen, die befürchten, der Kohlenstoff verschwinde einfach. In geschlossenen Gläsern bei 25 °C entsprach der CO?-Ausstoß von faserverstärktem, sterilem Sand nach 18 Tagen dem natürlichen Hintergrundwert, während kompostreicher Boden siebenmal mehr Kohlenstoff freisetzte. Das Fehlen eines aktiven Mikrobioms im Wüstensand erhält die Zellulose effektiv, bis sich Vegetation etabliert und ihre eigenen abbauenden Enzyme absondert – was den Landwirten mehrere Saisons lang zugutekommt.
Gewächshausversuche bestätigten dies. Kirschtomatensamen, die in 0,25–1 % faserreichem Sand keimten, erreichten eine Überlebensrate von 100 % und eine um 30 % größere Blattfläche als die Kontrollgruppe. Die Behandlung mit 3 % Faseranteil hingegen hemmte das Wurzelwachstum und reduzierte die Überlebensrate auf 40 %. Dies verdeutlicht, dass mehr nicht immer besser ist. Die Autoren empfehlen einen Schwellenwert von 2 %, der ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wasserspeicherung und Belüftung gewährleistet und mit der in Rheologietests ermittelten Gelierungskonzentration übereinstimmt.
Die Auswirkungen auf den gesamten Lebenszyklus sind vielversprechend. Die VAE importieren jährlich über 40.000 Tonnen Ananas; die Verwendung von nur 10 % der anfallenden Schalen könnte 8.000 Hektar sandigen Ackerlandes behandeln und dabei 1.600 Tonnen Kohlenstoff binden. Im Gegensatz zu holzbasierter Nanocellulose, die Hochdruckhomogenisatoren erfordert, benötigt man für die Schalenverarbeitung den Energieaufwand eines Küchenmixers und Leitungswasser – einfach genug für landwirtschaftliche Kooperativen.
Das Team testet das Konzept nun mit Dattelpalmenwedeln und Bananenstauden, um ein regionales Spektrum an Abfallfasern zu erfassen. Sollte sich der Ansatz im Hektarmaßmaßstab bewähren, könnten Regionen, die bisher auf Lebensmittelimporte angewiesen waren, sich selbst versorgen – und das ohne die CO?-Bilanz, die durch den Transport von Kompost über Kontinente entsteht.
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