Het gebruik van ultramoderne plasmatechnologie om goedkope kunstmest te maken voor kleine boeren klinkt misschien als magie, maar het is nu werkelijkheid geworden. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben een kleine plasma-aangedreven fabriek gebouwd die op stikstof gebaseerde vloeibare mest alleen produceert met behulp van zon, water en lucht. "De plant is eenvoudig op te zetten, duurzaam en zeer efficiënt, " zegt TU/e-onderzoeker Fausto Gallucci, die samen met partners in Afrika, Duitsland en Portugal hebben het apparaat succesvol getest in Oeganda. "We willen de miniplant nu op de markt brengen, zodat het beschikbaar komt voor boeren over de hele wereld."

Het voeden van een groeiende wereldbevolking is een enorme uitdaging. Volgens voorspellingen zullen er in 2030 8,6 miljard mensen op onze planeet zijn, en bijna 10 miljard in 2050. Kunstmest, met name stikstofhoudende meststoffen, spelen een sleutelrol bij het aangaan van deze uitdaging.

Vitale stikstof

Stikstof is een van de drie belangrijkste macronutriënten die door planten worden gebruikt om te groeien (naast fosfor en kalium. In 2015 werd ongeveer één op de twee mensen gevoed met voedsel dat werd verbouwd met kunstmest op stikstofbasis, een aandeel dat naar verwachting de komende jaren zal toenemen.

Hoewel algemeen verkrijgbaar in de ontwikkelde wereld, kunstmest is niet zo gebruikelijk in de derde wereld. In Afrika, waar 60 procent van alle boeren minder dan één hectare grond tot hun beschikking heeft, boeren hebben vaak geen geld om de spullen te kopen. In aanvulling, meststoffen worden vaak geproduceerd door grote multinationals, die alleen in bulk en vanaf centrale locaties leveren.

Low-tech

Hier komt het Afrika-project van Leap-Agri om de hoek kijken. Het maakt gebruik van een kleinschalige reactor om vloeibare stikstofhoudende mest te maken die kan worden gebruikt door elke boer die toegang heeft tot zonlicht en water.

Hoewel de technologie erachter behoorlijk state-of-the-art is, de applicatie is erg low-tech. "We hebben een systeem op basis van onze plasmareactor naar de National Agricultural Research Organization (NARO) in Oeganda gestuurd dat nog nooit eerder met plasmatechnologie had gewerkt. en ze waren in staat om binnen een maand kunstmest te produceren, " zegt Fausto Gallucci, hoogleraar bij de afdeling Chemische Technologie en Chemie.

"Ons systeem is klein, eenvoudig en zeer snel. Zodra u het inschakelt, het is echt een kwestie van seconden voordat het kunstmest begint te produceren. Daardoor is hij ook heel flexibel:je draait hem alleen als de zon schijnt en je mest nodig hebt."

Koel plasma

Dus hoe werkt dit apparaat? Professor Gallucci legt uit:"Onze minifabriek maakt gebruik van plasmatechnologie. Plasma, zoals u weet, is de vierde toestand van materie en bestaat uit geïoniseerde atomen en moleculen. U kent het misschien van bliksem- of neonreclames, die beide uit plasma bestaan."

Het plasma dat in de kunstmestfabriek wordt gebruikt, is niet-thermisch:terwijl de elektronen die de reactie aansturen, extreem hoge temperaturen bereiken, het omringende gas kan relatief koel blijven. Dit bespaart natuurlijk energie.

Het maakt plasmatechnologie een aantrekkelijk alternatief voor de traditionele manier van stikstofproductie, het zogenaamde Haber-Bosch-proces, die zowel hoge druk als hoge temperaturen vereist. Naar schatting verbruikt het Haber-Bosch-proces 1 tot 2% van de totale wereldenergie, stoot zo'n 300 miljoen ton CO . uit ₂ elk jaar de lucht in.

De stikstof fixeren

Het maken van op stikstof gebaseerde kunstmest in een plasmareactor omvat een proces dat bekend staat als stikstoffixatie. Terwijl 78 procent van de lucht bestaat uit N2, het gas reageert niet met andere elementen (het is chemisch inert). Dit maakt het moeilijk voor planten om te gebruiken.

Stikstoffixatie lost dit probleem op. Het zet de stikstof (N ₂ ) vanuit de lucht naar NOx, die op zijn beurt reageert met zuurstof en water om nitraat te vormen (NO _{3 -} ). Dit kan vervolgens worden gebruikt als ingrediënt voor vloeibare mest.

"Om het conversieproces te starten, " legt Sirui Li uit, onderzoeker in de groep van professor Gallucci, "dan ₂ moleculen moeten eerst 'geactiveerd' worden door een elektrische lading in te brengen. Dit zorgt ervoor dat de bindingen die de stikstofatomen bij elkaar houden worden verbroken, het creëren van een plasma."

In het geval van de Leap Agri mini-plant, de elektriciteit voor de opwekking van plasma wordt geleverd door zonne-energie, een goedkope en duurzame bron die algemeen verkrijgbaar is in ontwikkelingslanden.

Efficiënt en toegankelijk

Het proces is zeer efficiënt:het levert een vloeibare meststof op met een hoog nitraatgehalte die gemakkelijk door planten kan worden opgenomen. In Oeganda is een analyse gemaakt door NARO-onderzoeker Stella Kabiri, die deze meststof vergeleek met andere meststoffen op de lokale markt. Het resultaat toonde aan dat het nitraatgehalte ongeveer 20 procent was, dat is 14, 42 en 51 procentpunt hoger dan de vaste meststoffen Ammoniumnitraat, respectievelijk NPK en Ureum.

"Belangrijker, de vloeibare meststof kan on-site en on-demand worden geproduceerd, zodat elke boer precies de hoeveelheid kunstmest en nitraat kan kiezen die hij nodig heeft voor zijn gewas en perceel, " zegt Sirui Li.

Momenteel zijn de kosten van de miniplant nog vrij hoog (ongeveer 70,- 000 euro), maar Gallucci verwacht dat de prijs aanzienlijk zal dalen als het op grotere schaal wordt geproduceerd. "Op een dag, kleine boeren in Afrika kunnen hun eigen kunstmesteenheid kopen, individueel of collectief als dorp. Het collectief kan de miniplant dan verhuren aan hun leden, of verkoop de mest aan andere dorpen."