Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl
Agro Forskning DCA

3D-print og CT-scanninger giver indblik i jordens mange funktioner

En kombination af digital CT-billede dannelse, naturlige jordprøver, modelprøver dannet med bl.a. 3D-printer og laboratoriemålinger skaber en bedre forståelse af de komplekse forhold i jordporesystemet, der er bestemmende for jordens funktioner som f.eks. gas- og vandtransport.

Foto: 3D scanning af jordens porer - Mathieu Lamandé.

Processer som næringsstofoptag, transport af vand og fremmedstoffer, rødders vækst og luftskifte er nogle af de jordfunktioner, der er afhængige af jordens poresystem. En bedre forståelse af de komplekse samspil mellem jordporesystemet og jordfunktionerne er afgørende i bestræbelserne for at optimere planteproduktionen og minimere effekten på det omgivende miljø. En kombination af digital billeddannelse, fysiske modeller og laboratoriemålinger kan hjælpe os et skridt videre i den proces.

”Der findes ikke en universel metode, som kan bruges til at beskrive porerne i jorden. Derfor har vi undersøgt muligheden for at anvende kunstige og 3D printede modeller i kombination med CT-røntgenfotografi til studier af sammenhængen mellem jordstruktur og gastransportprocesser. Vores antagelse er nemlig, at kunstige poresystemer og 3D-printede jordprøver kan være nyttige fysiske modeller, der kan hjælpe os med at forstå jordfunktionerne bedre. Og det har vi undersøgt ved at bruge gastransport som case,” fortæller seniorforsker Mathieu Lamandé fra Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet. 

Jordens poresystem er som et menneskes blodårer

Ofte sammenlignes jordens poresystem med menneskets blodårer. Store arterier sørger for transport over større strækninger, mens såkaldte marginal-porer grener sig ud fra arterierne. Nogle porer kan være helt afskåret fra arterierne og de marginale porer. Fordelingen og sammenhængen mellem de tre grupper af porer har stor betydning for jordens funktioner. F.eks. kan jordpakning reducere de marginale porers transport af luft til hele porerumfanget. Ved pakning kan der også ofte være en tendens til transport alene i arterie-porerne.

”På dyrkede jorde er poresystemet meget forskelligt mellem det øvre, bearbejdede lag og underjorden. Og forskellen mellem de to lag i jorden spiller en væsentlig rolle i forhold til jordfunktionerne og forståelse af, hvordan de fungerer. Og den jævnlige bearbejdning af det øverste jordlag medfører et meget heterogent poresystem med mange marginalporer og arterie-porer, der går i alle retninger” forklarer Mathieu Lamandé. 

Den nederste del af jorden er derimod mere påvirket af planterødder og regnorme. Det skaber en mere holdbar porestruktur bestående af lodrette makroporer (arterier). Og det er netop de forskelle forskerne har ønsket at studere på grundlag af naturlige prøver samt kunstigt skabte modelprøver.

3D-printet rekonstruktion

”En komplet rekonstruktion af jordens opbygning eller arkitektur, kan vi kalde det, er endnu ikke mulig. Men det er muligt at konstruere en jordmodel samt anvende 3D-print til at lave en delvis rekonstruktion. Ved at kombinere CT-røntgenbilleder med målinger af lufttransport i porerne (både såkaldt massestrømning og diffusion) kan vi faktisk få et godt billede af den komplicerede geometri med en opløsning på få mikrometer,” fortæller Mathieu Lamandé. 

Indtil nu har kun ganske få studier undersøgt og påvist potentialet ved at bruge 3D-print til bedre at forstå fysiske, mekaniske og biologiske processer i jord. 

En metode med stort potentiale

Forskerne CT-scannede otte naturlige 100 cm3 jordprøver fra både pløjelaget og underjorden, samt otte kunstigt fremstillede 100 cm3 prøver i plastik og gasbeton. På basis af CT-skanningerne blev der desuden lavet 3D-print af både de naturlige og de kunstigt fremstillede prøver.  

”Vi testede dernæst lufttransporten i de forskellige jordprøver, både de naturlige, kunstige og 3D-printede. Målingerne bekræftede vores hypoteser om forekomst af arterie-porer og marginale porer samt at de lodrette arterie-porer betyder meget for transporten i underjorden” fortæller Mathieu Lamandé. 

Undersøgelsen bekræfter, at CT-scanninger og 3D-print kombineret egner sig som konceptuel model til at beskrive jordstrukturens indvirkning på gastransport. Men selvom metoden har potentiale til at rekonstruere jordens makroporenetværk, så er der nogle punkter, man skal tage højde for. 

”CT-røntgenfotografi og 3D-print har også ufuldkommenheder. For eksempel kan man opleve tilstopninger i porerum i form af materialerester. Og så er det vigtigt, at man tager højde for CT-billederne og 3D-printerens opløsning i forhold til den type porestruktur, man forsøger at rekonstruere. Så metoden er ikke fuldkommen, der er elementer, som skal tages højde for. Men gør man det, så viser vores undersøgelse, at der er et stort potentiale ved at bruge 3D-printede jordprøver til at rekonstruere jordens makroporenetværk for en bedre forståelse af jordfunktioner som f.eks. gastransport,” siger Mathieu Lamandé. 

Supplerende oplysninger
Vi bestræber os på, at alle vores artikler lever op til Danske Universiteters principper for god forskningskommunikation. På den baggrund er artiklen suppleret med følgende oplysninger:
Studietype:Eksperiment
Samarbejdspartnere:Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet, University of Padova og Norwegian University of Life Sciences
Finansiering: Danish Research Council for Technology and Production Sciences, Grant/Award Number: 11e106471; Seventh Framework Programme, Grant/Award Number: FP7/2007e2013; European Union Seventh Framework Programme
Interessekonflikter:Ingen
Læs mere:Artiklen “Soil pore system evaluated from gas measurements and CT images: A conceptual study using artificial, natural and 3D-printet soil cores” er publiceret i tidsskriftet European Journal of Soil Science. Den er skrevet af Mathieu Lamandé, Per Schjønning, Nicola Dal Ferro og Francesco Morari
Kontakt:Seniorforsker Mathieu Lamandé, Institut for Agroøkologi, Aarhus Universitet. Mail: mathieu.lamande@agro.au.dk. Tlf.: +45 22240870