Plasmatechnologie maakt kunstmest bereikbaar voor kleine boeren

Voldoende voedsel produceren voor een groeiende wereldbevolking is een enorme uitdaging. Volgens voorspellingen wonen er over een kleine tien jaar 8,6 miljard mensen op onze planeet. In 2050 zijn dat er bijna 10 miljard. Om deze uitdaging het hoofd te bieden, zullen we ook in de toekomst niet zonder kunstmest kunnen, en dan vooral kunstmest op basis van stikstof.

De sleutelrol van stikstof

Stikstof is een van de drie belangrijkste macronutriënten die planten gebruiken om te groeien (naast fosfor en kalium). In 2015 werd ongeveer een op de twee mensen gevoed met voedsel dat werd geteeld met behulp van stikstofhoudende meststoffen. Verwacht wordt dat dit aandeel de komende jaren nog verder zal toenemen.

Hoewel kunstmest in de ontwikkelde wereld ruim voorhanden is, is het in ontwikkelingslanden een stuk minder gangbaar. In Afrika, waar 60 procent van alle boeren minder dan één hectare land heeft, hebben boeren vaak niet het geld om het spul te kopen. Bovendien worden kunstmest vaak geproduceerd door grote multinationals, die alleen in bulk en vanuit centrale locaties leveren.

Low-tech

Gelukkig voor deze boeren is er het Afrika-project van Leap-Agri, een door de EU gesubsideerd onderzoeksprogramma dat landbouwers in de derde wereld wil helpen. Het Afrika-project maakt gebruik van een kleinschalige reactor om vloeibare meststof te maken op basis van stikstof te maken. Dit maakt kunstmest bereikbaar voor iedere boer die toegang heeft tot zonlicht en water.

Ons systeem is kleinschalig, eenvoudig en zeer snel. Zodra je het aanzet, is het een kwestie van seconden voordat het kunstmest begint te produceren.

Hoewel de technologie ultramodern is, is de toepassing erg low-tech. "We hebben onze plasmareactor naar het National Agricultural Research Organisation (NARO) in Uganda gestuurd, die nog nooit met plasmatechnologie had gewerkt, en zij waren in staat om binnen een maand kunstmest te produceren", zegt Fausto Gallucci, hoogleraar aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry.

"Ons systeem is kleinschalig, eenvoudig en zeer snel. Zodra je het aanzet, is het een kwestie van seconden voordat het kunstmest begint te produceren. Dat maakt het ook heel flexibel: je laat het alleen draaien als de zon schijnt en je kunstmest nodig hebt".

NIet-thermische Plasma

Maar hoe werkt dit ‘magische’ apparaat? Professor Gallucci legt uit: "Onze reactor maakt gebruik van plasmatechnologie. Plasma is de vierde toestand van de materie en bestaat uit geïoniseerde atomen en moleculen. Mensen kennen het misschien van bliksem of neonlicht, die beide uit plasma bestaan".

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

Het maakt plasmatechnologie een aantrekkelijk alternatief voor de traditionele manier om stikstof te produceren, het zogenaamde Haber-Bosch-proces. Daarvoor zijn zowel hoge druk als hoge temperaturen vereist. Het Haber-Bosch-proces verbruikt naar schatting 1 tot 2 procent van de totale energie in de wereld, waarbij wordt elk jaar zo'n 300 miljoen ton CO₂ in de lucht wordt uitgestoten.

Het fixeren van de stikstof

Om stikstofhoudende meststoffen te maken in een plasmareactor wordt een proces gebruikt dat bekend staat als stikstoffixatie. Dit is nodig omdat N_2, een gas dat ruimschoots beschkbaar is in de lucht, zelf niet reageert met andere elementen (het is zogenaamd ‘chemisch inert’). Dit maakt het moeilijk voor planten om het te gebruiken.

Stikstoffixatie lost dit probleem op: het zet de stikstof (N₂) uit de lucht om in NO_x, dat op zijn beurt met zuurstof en water reageert tot nitraat (NO₃^-). Dit kan vervolgens worden gebruikt als ingrediënt voor vloeibare meststof.

Om het fixatieproces op gang te brengen, moeten de N₂-moleculen eerst worden ‘geactiveerd’ door middel van een elektrische lading. Dit zorgt ervoor dat de bindingen die de stikstofatomen bij elkaar houden, worden verbroken, waardoor een plasma ontstaat. In het geval van de Leap Agri-reactor wordt de elektriciteit voor de plasmavorming geleverd door zonne-energie, een goedkope en duurzame bron die op grote schaal beschikbaar is in ontwikkelingslanden.

Efficiënt en toegankelijk

Het proces is zeer efficiënt: het levert een vloeibare meststof op met een hoog nitraatgehalte dat gemakkelijk door planten kan worden opgenomen. In Oeganda is een analyse gemaakt door NARO-onderzoekster Stella Kabiri, die deze meststof vergeleek met andere gangbare meststoffen op de plaatselijke markt. Daaruit bleek dat het nitraatgehalte circa 20 procent bedraagt. Dat is respectievelijk 14, 42 en 51 procentpunten hoger dan de vaste meststoffen ammoniumnitraat, NPK en Urea.

Op een dag zullen kleine boeren in Afrika hun eigen kunstmestunit kunnen kopen.

"Maar wat nog belangrijker is: de vloeibare meststof kan ter plekke en on-demand worden geproduceerd, zodat elke boer precies de hoeveelheid meststof en het nitraatgehalte kan kiezen die zij voor haar gewas en perceel nodig heeft", zegt Sirui Li, onderzoeker in de groep van Gallucci.

Op dit moment zijn de kosten van de minireactor nog vrij hoog (zo'n 70.000 euro), maar Gallucci verwacht dat de prijs aanzienlijk zal dalen zodra hij op grotere schaal wordt geproduceerd. "Op een dag zullen kleine boeren in Afrika hun eigen kunstmestunit kunnen kopen, individueel of collectief als dorp. Het collectief kan de reactor dan verhuren aan zijn leden, of de kunstmest verkopen aan andere dorpen".

Spin-off

Gallucci is samen met een aantal partners de TU/e-spin-off 4th State Technologies begonnen om de minireactor op de markt te brengen. Hij verwacht dat het apparaat binnen de komende drie tot vijf jaar beschikbaar zal zijn, nadat het noodzakelijke certificeringsproces is afgerond. De spin-off gaat ook andere veelbelovende toepassingen van plasmatechnologie onderzoeken, zoals het afvangen en hergebruiken van CO₂ voor de chemische industrie.

Het Afrika-project is een samenwerking van de TU/e, de National Agricultural Research Organisation (Oeganda), het Soil Research Institute (Ghana), de Nelson Mandela University (Zuid-Afrika), Fraunhofer Research Association (Portugal) en Evonik (Duitsland). Het werd gefinancierd door de EU als onderdeel van het Leap-Agri-programma.