Mobiler Magnet-Resonanz Sensor mit supraleitender Spule zur Präpolarisation im oberflächennahen Untergrund (MORE SPIN)

• Antragsteller: Professor Dr. Mike Müller-Petke; Professor Dr. Ronny Stolz
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326934898

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines mobilen NMR-Sensors zur Kartierung des Bodenwassergehaltes bis zu einer Tiefe von etwa zwei Meter. Die in Böden gespeicherte Feuchtigkeit ist für eine Vielzahl von ökologischen Prozessen entscheidend. Durch seine Funktion als Schnittstelle zwischen Atmosphäre und Lithosphäre spielt der Boden eine wesentliche Rolle beim Transfer von Wasser, den darin gelösten Stoffen und der damit verbundenen Energie. Derzeit existieren keine adäquaten direkten Methoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte für alle notwendigen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen, d.h. direkte Methoden sind auf der km-Skala mit unverhältnismäßigem Aufwand verbunden und gewöhnliche geophysikalische Methoden, die auf der km-Skala verfügbar sind, sind indirekt und leiden damit unter Mehrdeutigkeiten. Als zerstörungsfreie von der Oberfläche aus einsetzbare direkte Methode hat Kernspinresonanz (NMR) als Oberflächen-NMR (SNMR) Einzug in den geophysikalischen Methodenkanon gefunden. Das SNMR-Verfahren eignet sich allerdings nicht, die oberflächennahen bodenphysikalischen Parameter zu messen, da einerseits keine ausreichende Sensitivität innerhalb der ersten 2 m besteht, andererseits die Messungen zu zeitaufwendig sind um die Untersuchung großer Gebiete (km) zu erlauben. In letzter Zeit wurden vielversprechende theoretische Konzepte veröffentlicht, woraus sich die Entwicklung eines NMR-basierten Sensors ableiten lässt, welche die gestellten Anforderungen an Messfortschritt und Sensitivität erfüllt. Das Konzept eines geeigneten mobilen Magnet-Resonanz-Sensors basiert auf einer supraleitenden Spule zur Präpolarisation im oberflächennahen Untergrund in Verbindung mit adiabatischen Pulsen und einer kleinen punktförmigen Empfängersensorik. Die Präpolarisation verspricht eine Erhöhung der makroskopischen Magnetisierung, während adiabatische Pulse eine gleichmäßige Anregung des NMR-Signals gewährleisten. Beides zusammen verspricht eine Erhöhung des gemessenen NMR-Signals um mehr als eine Größenordnung. Der Einsatz von punktförmigen Empfängern ermöglicht zudem eine detaillierte räumliche Auflösung der Bodenparameter. Der neue, mobiler Magnet-Resonanz-Sensors würde die Möglichkeit eröffnen, zerstörungsfrei Bodenfeuchtekarten für verschiedene charakteristische Tiefen (z.B. Oberboden, Wurzelzone, Unterboden) auf der km-Skala zu erstellen. Der zu entwickelnde Sensor hat das Potenzial, für viele existierende geowissenschaftliche Forschungsfelder - von Stofftransportprozessen im Zusammenhang mit Permafrostfragestellungen und Klimamodellierungen über Forschungsthemen der Grundwasserneubildung und des Bodenschutzes bis zur Nahrungsmittelsicherheit - neue wissenschaftliche Analysemöglichkeiten zu eröffnen. Die Entwicklung wird entsprechend von den bodenkundlichen Fachgebieten der Leibniz Universität Hannover und der Technischen Universität Berlin, sowie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe und der RWTH Aachen unterstützt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Raphael Dlugosch