Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Extraktion von Sickerwasser zur Überprüfung des Nährstoffgehaltes in einer Bodenprobe.

Im Sinne einer effektiven und ressourcenschonenden Landwirtschaft ist die begleitende Überprüfung des Bodens auf Feuchte, Temperatur, pH-Wert und den Gehalt an Nährstoffen, wie beispielsweise Verbindungen des Stickstoffs (N), Phosphors (P), Kaliums (K) und Eisens (Fe) von besonderem Interesse. Die für Pflanzen verfügbaren Nährstoffe befinden sich dabei im Bodenwasser, welches sich aus dem frei beweglichen Sickerwasser, dem in den Poren festgehaltenen Haftwasser (Porenwasser) und dem Stauwasser zusammensetzt.

Die DIN 19746 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des mineralischen Stickstoffs in Form von Nitrat (NO3j und Ammonium (NH4+) zur Ermittlung der Bodenbeschaffenheit. Die Proben werden vor Ort entnommen, unter Kühlung transportiert und im Labor im feldfeuchten Zustand zunächst mit einer Calciumchloridlösung extrahiert und anschließend analysiert.

Für die Untersuchung des Wasser- und Nährstoffgehaltes sind aber ungestörte Bodenproben, bei denen die ursprüngliche Lage und Struktur des Bodens erhalten bleibt vorzuziehen.

In der WO 2012/122050 wird eine Vorrichtung zur in situ Untersuchung des Nährstoffgehaltes von ungestörten Böden beansprucht, die aus einer „Messeinheit“ und einer „Proben-Wasser- Sammel-Einheit“ besteht, wobei letztere direkt in den zu untersuchenden Boden platziert wird und dort verbleibt. Es soll so gezielt das Porenwasser extrahiert und in einem späteren Schritt analysiert werden. Im Zuge der saisonalen Bewirtschaftung des zu untersuchenden Bodens muss die Vorrichtung aufgrund ihrer Größe zur Bepflanzung und zur Ernte entfernt werden.

Weiter ist aus der DE 10 2018206 035 A1 eine Saugkerze zur Durchführung von Bodenwasserproben, mit einem insbesondere hohlzylinderförmigen Gehäuse bekannt, das eine zumindest im Wesentlichen geschlossene und medienundurchlässige Mantelwand aufweist, wobei das Gehäuse zumindest eine Öffnung aufweist, die durch ein flüssigkeitsdurchlässiges Filterelement verschlossen ist, sowie einen Sauganschluss zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem Gehäuse, wobei vorgesehen ist, dass in dem Gehäuse eine Sammelkammer angeordnet ist, in welche eine mit der Öffnung verbundene Fluidleitung mündet, und dass in der Sammelkammer zumindest ein Sensor zur Ermittlung einer Nährstoffkonzentration, insbesondere lonenkonzentration, von in der Sammelkammer befindlichem Bodenwasser angeordnet ist.

Aus der DE 101 21 326 A1 ist ein Messgerät zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften des Bodenwassers bekannt, welches ein Gehäuse mit einer semipermeablen Membran, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Messstrecke, die über die semipermeable Membran mit dem Bodenwasser in Kontakt steht, und eine steuerbare, mit der Messstrecke in Verbindung stehende Schlauchpumpe aufweist, mittels der Bodenwasser förderbar ist.

Ferner ist aus der WO 2021/074 722 A1 ein System zum Sammeln und chemischen Analysieren von Wasserproben, die aus dem Boden entnommen wurden, um einen oder mehrere Analyten von Interesse zu messen, wie z.B. Bodennährstoffgehalte von landwirtschaftlichem Interesse zur Steigerung des Ernteertrags und der Qualität bei einer Verwendung des Systems, bekannt, wobei das System eine Probensammelsonde enthält, die ein Filtermedium umfasst, das so angeordnet ist, dass es den Boden berührt, wenn es darin eingebettet ist, und eine Wasserprobe aus dem Boden aufnimmt, und betriebsfähig mit einem Untersystem zur Probenverarbeitung gekoppelt ist, wodurch gemeinsam eine Probenentnahmestation gebildet wird, und das Untersystem so konfiguriert ist, dass es die Wasserprobe empfängt und analysiert, wobei eine programmierbare Sondensteuerung den Betrieb der Probenentnahme, -Verarbeitung und chemischen Analyse in situ steuert.

Für eine optimale Überwachung der Qualität des Bodenwassers ist eine kontinuierliche, ortsfeste Extraktion des gesamten Bodenwassers, die nicht durch saisonale Arbeiten wie Sähen, Düngen, Bewässern oder Ernten unterbrochen werden muss, wünschenswert.

Darüber hinaus ist es für eine Kontrolle des Bodenwassers auch zum Schutz des Grundwassers vor dem Eintrag von schädlichen Stoffen notwendig, das gesamte Bodenwasser zu analysieren und so auch den Gehalt an Nähr- und Schadstoffen im Sickerwasser zu erfassen.

Xu et al. schlagen in „Nutrient Sensing Using Chip Scale Electrophoresis and In Situ Soil Solution Extraction”, IEEE SENSORS JOURNAL, Vol. 17, No. 14, 2017 eine miniaturisierte Sensoreinheit für die In Situ Bodenanalytik nebst Extraktionseinheit für Bodenwasser vor. Die Extraktionseinheit weist diverse Schläuche zur Zu- und Abführung des Bodenwassers und ein Filter in Form einer keramischen Kapillar-Röhre mit Filtermembran aus Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Polyethersulfon (PES) auf. Aufgrund des im Vergleich zum benötigten Probenvolumen hohen Totvolumens ist eine Pumpleistung notwendig, welche den autonomen Batteriebetrieb der gesamten Vorrichtung und damit die Kontinuität der Messung limitiert.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen das es ermöglicht, das Bodenwasser in situ, ortsfest, in kurzen Intervallen über einen längeren Zeitraum zu Extrahieren.

In einem Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Bodenwasser- Extraktionsvorrichtung mit wenigstens einem Matrixkörper in den wenigstens ein Kanal zur Aufnahme einer Bodenwasser- Probe eingearbeitet ist und einer porösen, hydrophilen Keramik, welche ebenfalls in den Matrixkörper eingebracht ist und den Kanal zur Boden-Seite hin bündig mit dem Matrixkörper abschließt und einem Schlauch, welcher von der gegenüberliegenden Seite des Kanals zu einer Pumpe führt, welche durch einen Motortreiber angetrieben wird, wobei der Motortreiber über einen Mikrocontroller angesteuert wird und der Mikrocontroller mit wenigstens einer Schnittstelle verbunden ist und über die Schnittstelle betriebsgemäß Informationen der Feuchte an den Mikrocontroller gegeben und mit hinterlegten Sollwerten verglichen werden.

Überraschenderweise zeigte sich, dass es durch die Kombination von einer porösen, hydrophilen Keramik und einer Pumpe -auch bei geringer Leistungsaufnahme der Pumpe- gelingt ein hinreichend großes Probenvolumen zu extrahieren.

In einer besonderen Ausführungsform ist die poröse, hydrophile Keramik aus Aluminiumoxid (AI2O3).

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Leistungsaufnahme durch die Dimensionierung des Antriebs der Pumpe weniger als 1 W, bevorzugt weniger als 500 mW, besonders bevorzugt weniger als 400 mW.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist der Matrixkörper auf einem Substrat-Körper befestigt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrocontroller noch mit einer weiteren Schnittstelle verbunden.

Der Matrixkörper kann aus Glas, Silizium oder organischen Polymeren gefertigt sein. Bevorzugt sind organische Polymere, welche für die Abformung mikrofluidischer Strukturen besonders geeignet sind, diese sind dem Fachmann allgemein oder auch aus Christine Puffert: „Technologien und Materialien für mikrofluidische Systeme“ [DOI: 10.1007/978-3-662-56449- 3_5] bekannt. Besonders bevorzugt ist das Material für den Matrixkörper ausgewählt aus der Gruppe Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Cycloolefin-Copolymer (COC) und/oder Polyetheretherketon (PEEK).

Der Kanal wird entsprechend der dem Fachmann beispielsweise aus Christine Puffert: „Technologien und Materialien für mikrofluidische Systeme“ [DOI: 10.1007/978-3-662-56449- 3_5] bekannten Methoden erzeugt Die Breite des Kanals liegt zwischen 1 pm und 5 mm, bevorzugt zwischen 10 pm und 3 mm.

Die poröse, hydrophile Keramik ist in den Matrixkörper integriert und bildet mit diesem eine planare Oberfläche. Die Integration in den Matrixkörper kann durch Stanzen und/oder Einkleben erfolgen. Die durchschnittliche Porengröße der porösen hydrophile Keramik liegt zwischen 500 nm und 5 pm . Das Volumen der Poren am Gesamtvolumen der porösen, hydrophilen Keramik liegt im Bereich zwischen 20 bis 60 Volumenprozent, bevorzugt im Bereich zwischen 30 und 50 Volumenprozent, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 35 und 40 Volumenprozent.

Die poröse, hydrophile Keramik kann ausgewählt sein aus der Gruppe der Carbide, Nitride Boride, Silicide und Oxide, bevorzugt aus der Gruppe Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid und/oder Mischformen dieser Oxide, besonders bevorzugt ist die poröse, hydrophile Keramik aus Aluminiumoxid (AI2O3).

Schläuche -auch für den Einsatz in Peristaltikpumpen- sind dem Fachman allgemein bekannt und im Handel zu erwerben.

Die Leistungsaufnahme der Pumpe sollte gering sein, damit ein langandauernder Batteriebetrieb ermöglicht ist. Pumpen sind allgemein bekannt und im Handel erhältlich. Geeignete Pumpen mit geringer Leistungsaufnahme sind beispielsweise Membranpumpen oder Peristaltikpumpen. Besonders geeignete Membranpumpen sind Mikropumpen der Firma Mikrotechnik mit einer Piezomembran oder auch Minimembranpumpen, die beispielsweise bei der Firma neoLab zu beziehen sind. Geeignete Peristaltikpumpen sind beispielsweise bei Aquatech Co., Ltd. erhältlich. Peristaltikpumpen verfügen in der Regel über einen Schrittmotor der über einen Motortreiber angetrieben wird.

Ein Beispiel für eine Peristaltikpumpe ist das Modell RP-QX1.2N von Aquatech Co., Ltd. hier beträgt die Leistungsaufnahme 0.36 W bei 3 V.

Motortreiber sind dem Fachmann bekannt aus Elektronik-Versandhäusern und Fachkatalogen wie RS-Components, Farnell oder Digi-Key. Beispiele sind TB6612FNG, L6506, TCA3727, DC- Motor-Treiber: TB6612FNG.

Als Mikrocontroller kommen die Ein-Chip-Computersysteme, welche über einen Prozessor und Peripheriefunktionen verfügen in Frage. Beispiele sind hier ein Raspberry Pi oder ein Arduino.

Der Mikrocontroller kann mit einer weiteren Schnittstelle verbunden sein. Über diese weitere Schnittstelle ist es möglich einen Computer oder eine Anzeigevorrichtung anzuschließen.

Die Informationen zur Feuchte können dabei auf Messwerten, welche unmittelbar vor Ort ermittelt werden beruhen. Solche Messgeräte sind dem Fachmann allgemein bekannt, es eignet sich beispielsweise ein SMT 100 der Firma Truebner GmbH.

Ebenfalls ist es möglich die Informationen zur Feuchte aus externen Daten, wie beispielsweise Wetterstationen über die Schnittstelle dem Mikrocontroller zuzuleiten.

Bevorzugt werden die Daten kontakt- und kabellos per Funk über die Schnittstelle an den Mikrocontroller abgegeben sowie gegebenenfalls Daten vom Mikrocontroller über eine Schnittstelle zu einer Anzeige oder einem Computer übertragen. Im Mikrocontroller sind Sollwerte hinterlegt, welche mit den Informationen zur Feuchte abgeglichen werden. Ist die Bodenfeuchte hinreichend hoch und ist die voreingestellte Mindestintervallzeit überschritten, wird der nächste Extraktionszyklus für die Bodenlösungsanalyse automatisch eingeleitet.

Die Substrat-Körper sollten in ihrer Höhe eine im Vergleich zu ihrer Fläche geringe Ausdehnung haben. Als Material kommen plättchenförmige Körper aus Glas, Keramik oder organischen Polymeren in Frage. Auf der zur hydrophilen Keramik gegenüberliegenden Seite des Kanals weist der Substrat-Körper eine Bohrung zur Führung und Befestigung des Schlauchs auf.

Die Befestigung des Matrix- Körpers auf dem Substrat-Körper kann durch Kleben, Bonden, Verschrauben oder Verschmelzen erfolgen.

In einem weiteren Aspekt wird die Erfindung durch ein Verfahren zur Extraktion von Bodenwasser gelöst umfassend die folgenden Schritte: i. Übermittlung von Informationen der Feuchte über eine Schnittstelle an den Mikrocontroller ii. Verarbeitung der Informationen der Feuchte und Abgleich mit hinterlegten Sollwerten im Mikrocontroller iii. Ansteuerung des Motortreibers der Pumpe durch den Mikrocontroller auf Basis des Ergebnisses aus Schritt ii. iv. Befüllung des Kanals und des Schlauchs mit Bodenwasser mit Hilfe der Keramik und der durch den Motortreiber betriebenen Pumpe

Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Bodenwasser- Extraktionsvorrichtung mit einem Matrixkörper (1) in den wenigstens ein Kanal (2) zur Aufnahme einer Bodenwasser- Probe eingearbeitet ist und einer porösen, hydrophilen Keramik (3), welche ebenfalls in den Matrixkörper eingebracht ist und den Kanal zur Boden-Seite hin bündig mit dem Matrixkörper abschließt und einem Schlauch (4) welcher von der gegenüberliegenden Seite des Kanals zu einer Pumpe (5) führt welche durch einen Motortreiber (6) angetrieben wird wobei der Motortreiber (6) über einen Mikrocontroller (7) angesteuert wird und der Mikrocontroller (7) mit wenigstens einer Schnittstelle (8) verbunden ist und über die Schnittstelle (8) Informationen der Feuchte (9) an den Mikrocontroller gegeben werden und mit dort hinterlegten Sollwerten (11) abgeglichen werden.

Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens in Zusammenhang mit dem Internet of Underground Things (loUT). Die Daten werden per Funk über das Gateway (14) zwischen den Sensorknoten (12) unter der Erdoberfläche (13) und den Geräten mit entsprechender Schnittstelle ausgetauscht. Abbildung 3 zeigt eine Fotographie des Matrixkörpers mit Kanal und eingeklebter Keramik befestigt auf einem Substrat-Körper der Größe 2,5 cm x 2,5 cm x 0,1 cm.

Abbildung 4 zeigt eine Skizze der Negativform zur Abformung des Matrixkörpers, die Länge des Kanals beträgt 12 mm, das Volumen des Kanals liegt bei 12 pl.

Abbildung 5 zeigt die mittels eine Rasterkraftmikroskop (AFM) gemachten Aufnahmen der eingesetzten hydrophilen Keramik. Es wurden Bereiche der Größe 10 pm x 10 pm (a, c) und 50 pm x 50 pm (b und d) untersucht. Die Höhenprofile (e und f) zeigen eine Oberflächenrauigkeit zwischen 2 pm und 4,2 pm.

Die Allgemeinheit der Lehre nicht einschränkend soll im Folgenden exemplarisch die Anwendung der erfindungsgemäßen Bodenwasser-Extraktionsvorrichtung demonstriert werden.

Exemplarische Fertigung eines Matrixkörpers mit Kanal und Keramik

Anhand der Fertigungszeichnung wird der Matrixkörper aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mittels Polytetrafluorethylen (PTFE) abgeformt. Hierzu wird das fließfähige PDMS-Prepolymer (SYLGARD® 184, Merck KGaA) in die PTFE-Form gebracht und bei 90°C innerhalb einer Stunde ausgehärtet. Anschließend wird der ausgehärtete Fluidikkörper der Gießform entnommen. Danach wird ein Kanal für die Keramik ausgestanzt, um anschließend bündig in die Fluidik eingesetzt und verklebt zu werden.

Als Keramik wird hydrophiles Aluminiumoxid (AI2O3) verwendet. In diesem Fall Keralpor 99, 99,5 % AI2O3, Kerafol Keramische Folien GmbH & Co. KG der Größe 3 mm x 2,5 mm x 2 mm (Länge x Breite x Höhe). Das Volumen der Poren am Gesamtvolumen der porösen, hydrophilen Keramik liegt im Bereich zwischen 36 bis 38 Volumenprozent. Die Dichte der hydrophilen Keramik liegt bei 2,56 g/cm ³ die mittlere Porengröße beträgt 1 pm.

Abbildung 5 zeigt die mittels eine Rasterkraftmikroskop (AFM) gemachten Aufnahmen der eingesetzten hydrophilen Keramik. Es wurden Bereiche der Größe 10 pm x 10 pm (a, c) und 50 pm x 50 pm (b und d) untersucht. Die Höhenprofile (e und f) zeigen eine Oberflächenrauigkeit zwischen 2 pm und 4,2 pm.

Das Füllvolumen der hydrophilen Keramik wurde durch Bestimmung der Differenz zwischen dem Gewicht der dehydratisierten hydrophilen Keramik (70,6 mg) und der mit Wasser gesättigten (84,3 mg) zu 13,7 pl bestimmt.

Der Matrixkörper wird auf einem gläsernen Substrat-Körper der Größe 2,5 cm x 2,5 cm x 0,1 cm, der an der zur hydrophilen Keramik gegenüberliegenden Seite des Kanals eine durchgehende Bohrung aufweist, aufgeklebt. Auf der zur hydrophilen Keramik gegenüberliegenden Seite des Kanals weist der Substrat- Körper eine Bohrung zur Führung und Befestigung des Schlauchs auf.

Der Schlauch wird am Substrat-Körper eingesteckt und mit einer Peristaltischen Pumpe (RP- Q1.2N, Aquatech Co., Ltd.) verbunden.

Als Mikrocontroller wird ein Raspberry Pi 4 und ein Motortreiber für die Peristaltischen Pumpe (Peristaltikpumpe) des Typs TB6612, (Adafruit Industries) verwendet. Die Informationen der Feuchte werden mit einem Sensor des Typs SMT100, Truebner GmbH bereitgestellt.

Bestimmung der zur Extraktion notwendigen Bodenfeuchte (Sollwerte):

Es wird die notwendige Bodenfeuchte für drei unterschiedliche Typen von Böden (Sand, Gartenerde und Schlick) bestimmt. Das im abgeschlossenen Gefäß platzierte Volumen der Bodenproben liegt bei 2500 cm ³

Vor Beginn der ersten Messung wird die hydrophile Keramik angefeuchtet, um reproduzierbare Initialbedingungen zu haben. Für den Dauerbetrieb im Boden ist dieses nicht notwendig. Dann wird der Matrixkörper in den Boden verbracht, so dass ein direkter Kontakt der Keramik mit dem Boden vorliegt. In unmittelbarer Nähe zum Matrixkörper wird der Sensor zur Erfassung der Feuchte im Boden platziert.

Im Experiment wird das Volumen der extrahierten Feuchte im Kanal über die Zeit mittels eines Mikroskops bestimmt. Durch Zugabe von jeweils 100 ml Wasser wurde die Bodenfeuchte variiert. Die Messung der Feuchte erfolgt 15 Minuten nach Zugabe der entsprechenden Wassermenge. Die Peristaltische Pumpe wurde daran anschließend jeweils für 30 Minuten betrieben.

Tabelle 1 enthält die gemessene Feuchte des Bodens und das extrahierte Volumen für die verschiedenen Böden in Abhängigkeit vom zugegebenen Wasser.

Für die Experimente in Tabelle 1 wurde ein Trübner Sensor SMT 100 verwendet. Dieser hat einen Spezifikationsbereich für den volumetrischen Wassergehalt des Bodens von 0 bis 50% mit einer Genauigkeit von +- 3% mit der Werkskalibrierung.

Tabelle 1 : Informationen der Feuchte und extrahiertes Volumen für verschiedene Böden

Es zeigt sich, dass bei einer gemessenen Feuchte von 8 Vol.-% bei Sand, 11 Vol.-% bei Gartenerde und 13 Vol.-% bei Schlick, die Extraktion starten kann.

Aufgrund der unterschiedlichen Aufnahmekapazität für Wasser bei den verschiedenen Böden werden diese Werte bei Gartenerde und Sand bereits nach Zugabe von 200 ml Wasser erreicht, während beim Schlick 500 ml Zugabe erfolgen muss, um die Extraktion starten zu können. Abhängig vom benötigten Volumen der extrahierten Probe und der Beschaffenheit des Bodens lassen sich die Sollwerte fest- und im Mikrocontroller hinterlegen. Dieses könnte über eine Auswahl des Bodentyps bei der Einbringung erfolgen. Alternativ könnte auch ein lernender Algorithmus realisiert werden, der die extrahierte Wassermenge bei verschiedenen Pumpleistungen aufzeichnet und darauf basierend die Sollwerte anpasst. Nachfolgend sind weitere Ausführungen zur Feuchte ausgeführt, die für einzelne Ausführungen der Erfindung relevant sein können bzw. sind, die jedoch nicht zwingend beschränkend zu werten sind bzw. beschränkend sein müssen.

Die Information der Feuchte spielt für die Erfindung eine entscheidende Rolle, um ein adaptives Sampling zu ermöglichen, dass für den energiearmen Betrieb des Sensors entscheidend ist. So wird bei ausreichend feuchtem Boden in einem vom Anwender programmierbaren zeitlichen Mindestintervall Bodenlösung extrahiert. Ist der Boden trockener als der Mindestfeuchtigkeitswert, so wird regelmäßig, z.B. alle 5 min bis alle 6h, die Information der Feuchte ausgewertet. Diese kann über Wetterdaten zum Sensor übertragen werden oder mit einem assoziierten Bodenfeuchtesensor ausgelesen werden.

Der volumetrische Wassergehalt ist das Verhältnis zwischen dem Wasservolumen und dem Einheitsvolumen des Bodens. Der volumetrische Wassergehalt kann als Verhältnis, Prozentsatz oder Wassertiefe pro Bodentiefe angegeben werden. Alternativ kann zur Bestimmung der Bodenfeuchte ein Sensor verwendet werden, der die Bodenwasserspannung misst, bspw. aus der Referenz Datta et al. (Datta et al..“Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management“, Oklahoma Cooperative Extension Service, BAE-1537, June 2017). Entsprechend kann die Information der Feuchte als volumetrischer Wassergehalt oder als Bodenwasserspannung gespeichert, übertragen und verarbeitet werden.

Der maximale volumetrische Wassergehalt ist erreicht, wenn alle Poren (Hohlräume zwischen den festen Bodenbestandteilen) mit Wasser gefüllt sind. Dieser Sättigungswert schwankt zwischen 30 % bei Sandböden und 60 % bei Tonböden (Referenz Datta et al.). Ab einem bestimmten Schwellwert fließt Wasser durch die Schwerkraft aus größeren Poren ab. Dieses ist die maximale Bodenfeuchte für Bewässerung und ebenfalls stark abhängig vom Bodentyp (Referenz Datta et al.). Die meisten Agrarböden erreichen den Schwellwert ein bis drei Tage nach einer Bewässerung oder einem Regenereignis. D.h. die Feuchtigkeitsinformation muss innerhalb dieses Zeitraums ausgewertet werden, um von der erhöhten Bodenfeuchte zu profitieren. Der permanente Welkepunkt bestimmt die Feuchtigkeit, ab der Pflanzen kein Wasser mehr aus dem jeweiligen Bodentyp extrahieren können. Böden sollten typischerweise oberhalb dieser Feuchtigkeit gehalten werden, um keine Belastung für die Pflanzen zu riskieren. Damit bildet dieser Wert die relevante minimale Bodenfeuchte für das Sensorsystem und ist ebenfalls abhängig von der Bodenart.

Aufgrund der Unterschiedlichkeit des Sättigungswerte und des permanenten Welkepunktes für verschiedene Bodentypen sollte für den Betrieb nicht einfach ein fester Schwellwert genommen werden. Tabelle 1 demonstriert diese Unterschiedlichkeit und gibt Richtwerte für die Wahl des Schwellwertes. So sollte die Bodenlösungsextraktion für sandige Böden ab 8%+- 3% volumetrischem Wassergehalt, für Schlick ab 13%+- 3% volumetrischem Wassergehalt und für Mischböden dazwischen aktiviert werden.

Im ersten Verfahren der adaptiven Probennahme wird dieser Schwellwert zusammen mit der Information des Bodens im Mikroprozessor hinterlegt. Sobald dieser überschritten wird, wird eine Extraktion der Bodenlösung durchgeführt. Wird die Information der Bodenfeuchte über die Schnittstelle von anderen Sensoren übertragen, so werden die Schwellwerte vorab einprogrammiert.

Im zweiten Verfahren der adaptiven Probennahme wird die Änderung der Bodenfeuchte anstelle des Absolutwertes beobachtet. Nach einer Bewässerung erhöht sich der Wassergehalt in der Erde schlagartig um mehr als 50% (Referenz Datta et al.). Dabei wird die Bodenfeuchte mit einem Sensor mit einer Zeitauflösung von größer als 30 min (also kürzere Zeitintervalle) aufgenommen und die Bodenlösungsextraktion aktiviert, sobald ein Sprung in der Bodenfeuchte von mehr als 50% beobachtet wird.

Verzeichnis der Abbildungen

Abb. 1 : Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Bodenwasser-

Extraktionsvorrichtung

Abb. 2: Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens in Zusammenhang mit dem Internet of Underground Things (loUT)

Abb. 3: Fotographie des Matrixkörpers mit Kanal und eingeklebter Keramik befestigt auf einem Substrat-Körper der Größe 2,5 cm x 2,5 cm x 0,1 cm

Abb. 4: Skizze der Negativform zur Abformung des Matrixkörpers

Abb. 5: AFM-Aufnahme der hydrophilen Keramik aus AI2O3 Bezugszeichenliste

1 Matrixkörper

2 Kanal

3 Keramik

4 Schlauch

5 Pumpe

6 Motortreiber

7 Microcontroller

8 Schnittstelle

9 Informationen der Feuchte

10 Substrat-Körper

11 Sollwerte

12 Sensorknoten

13 Erdoberfläche

14 Gateway