NIST et KSU présentent « Agricomb » pour mesurer précisément les émissions de gaz à effet de serre des vaches

Après que le peigne de fréquences optiques ait fait ses débuts comme règle pour la lumière, des déclinaisons ont suivi, dont l'« astrocomb » pour mesurer la lumière des étoiles et un système de peigne type radar pour détecter les fuites de gaz naturel. Maintenant, des chercheurs ont dévoilé l'« agricomb » pour mesurer les « rots de vaches ». L'agricomb pourrait aider à optimiser les processus agricoles pour réduire la production de gaz à effet de serre piégeant la chaleur.

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université d'État du Kansas (KSU) ont utilisé l'agricomb du NIST pour mesurer simultanément les émissions de méthane, d'ammoniac, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau dans l'atmosphère autour d'un parc d'engraissement de bœufs au Kansas. L'appareil du NIST — un système à deux peignes — identifie les gaz traces basés sur les nuances exactes et les quantités de lumière infrarouge absorbée par l'atmosphère lorsque la lumière du peigne est envoyée aller-retour sur des chemins en plein air.

Le système portable a été installé dans une remorque garée à côté du parc d'engraissement. La lumière laser était spécialement amplifiée et filtrée pour cibler des gaz spécifiques. Les chercheurs ont mesuré les gaz le long de deux chemins de 100 mètres, tant au vent amont qu'aval, depuis des enclos contenant environ 300 vaches. L'expérience s'est concentrée sur le méthane et l'ammoniac car les émissions du bétail, principalement les bovins, sont la plus grande source américaine de méthane d'origine humaine, un gaz à effet de serre majeur ; et l'ammoniac est un polluant atmosphérique important.

Les mesures ont capturé les émissions des processus digestifs des bovins et du fumier au sol. L'agricomb a mesuré les concentrations de méthane et d'ammoniac au niveau des parties par million avec une précision de 25 parties par milliard. Les résultats de l'agricomb pour le méthane étaient comparables à ceux d'un capteur commercial qui échantillonnait l'air à plusieurs entrées le long des bords du parc d'engraissement. Le système à peigne était particulièrement utile pour l'ammoniac car ce gaz est collant et difficile à mesurer avec des systèmes qui aspirent l'air. De plus, l'agricomb peut mesurer de nombreux gaz simultanément, ce qui est difficile pour les systèmes conventionnels.

Enfin, bien que les capteurs commerciaux mesurent les niveaux de fond précis plus rapidement, l'agricomb a capturé plus précisément les panaches aval et a pu mieux caractériser les sources de gaz, selon les chercheurs. La précision accrue sera cruciale pour les futures mesures prévues de méthane provenant de vaches dispersées dans un pâturage, un problème beaucoup plus difficile.

L'accord entre les anciennes et nouvelles techniques inspire confiance que l'agricomb peut être utilisé pour quantifier précisément les gaz dans les contextes agricoles. Les avantages de l'agricomb incluent la sensibilité à une large gamme de lumière infrarouge, une haute précision, la détection sans étalonnage de multiples gaz à la fois, et la flexibilité de la configuration de mesure. L'association de deux peignes avec des espacements de « dents » différents pour identifier les couleurs exactes de la lumière rend l'analyse encore plus précise.

Estimer les émissions de méthane du bétail est difficile en raison des variations dans les pratiques de gestion et les caractéristiques des bovins dans les fermes commerciales. De plus, ce que mangent les bovins affecte les émissions mais n'est pas pris en compte dans les inventaires nationaux, conduisant à de grandes incertitudes dans les modèles d'émission de gaz à effet de serre, selon les chercheurs. Les bovins du parc d'engraissement du Kansas mangeaient un mélange de foin et d'ensilage de maïs.

« Pour l'avenir, notre plan est de travailler avec KSU pour faire une mesure en pâturage, où les bovins mangent des herbes natives », a déclaré le physicien du NIST Brian Washburn. « La nourriture différente, plus l'activité microbienne dans les sols des prairies qui consomment le méthane, pourrait signifier une production de méthane atmosphérique moindre en pâturage qu'en parc d'engraissement. Les bovins passent environ 75 % de leur vie en pâturage, donc cette mesure serait plus représentative de la production nette de méthane. Ce serait aussi une mesure plus difficile, car elle se ferait sur une plus grande zone, environ 500 mètres sur 500 mètres, avec moins d'animaux — environ 40 têtes. »

Les chercheurs suggèrent que l'agricomb peut soutenir l'agriculture de précision — l'utilisation de nouvelles technologies pour augmenter les rendements — en mesurant de nombreux gaz simultanément sur de grandes échelles spatiales, permettant de concevoir des fermes plus propres et plus productives.