NO329913B1 - Pulverblanding for dannelse av vann- og næringsmiddelstabiliserende membran - Google Patents

Description

Teknikkens område

Denne oppfinnelse gjelder et middel for å kunne redusere forbruket av vann innen jordbruk og andre virksomheter hvor man dyrker planter, og samtidig bidra til å redusere tilsig av næringsrik, gjødselmettet vann til grunnvannet. Mer bestemt gjelder oppfinnelsen en elektronegativ og antioksiderende pulverblanding som ved tilførsel til et øvre jordsmonn kan danne en biologisk nedbrytbar membran i det øvre jordmonnet, fortrinnsvis omfattende jordsmonnets overflate og biologisk aktive sone for rot og vekstdannelse, hvor membranen har en kombinert virkning ved at den øker oppholdstiden for vann og næringsstoffer i rotsonen, virker antioksiderende på omgivelsene for å bekjempe ozon- og annen fri radikalindusert skade på vegetasjonen, og regulerer jordtoppens albedo slik at temperaturen i rotsonen holdes innenfor plantenes trivselstemperatur.

Denne oppfinnelse er en videreutvikling av oppfinnelsen presentert i søknad NO 20031167 og som er videreført som PCT/NO04/00071. Begge søknader innlemmes i helhet ved referanse.

Bakgrunn

Jordens befolkning har økt fra ca. 3 milliarder i 1960 til ca. 6,2 milliarder i år 2002, og er forventet å øke til en topp på ca. 11 milliarder rundt år 2050 for deretter å sakte avta, dvs. på kun 90 år vil verdens befolkning nesten firedobles. Befolknings-eksplosjonen har utgjort, og utgjør fortsatt en stor utfordring både når det gjelder å øke tilgangen på rent drikkevann for direkte konsum og til matvareproduksjon, og å dekke det stadig raskere voksende behov for mer mat.

Fram til i dag har man løst problemet med økende matvarebehov ved en overgang fra tradisjonelt landbruk til moderne kunnskapsbaserte landbruk med utstrakt bruk av maskinell arbeidskraft og vitenskapelig fundamentert kunnskap om hvordan dyrke mest mulig effektivt. Viktige faktorer er bruk av kunstig vanning, kunstgjødsel, kjemisk ugress- og skadedyrkontroll, og nye genmodifiserte planter som gir større utbytter og er mer bestandige mot skadedyr. Et eksempel på betydningen av det moderne landbruk er at i 1940 produserte USA 56 millioner tonn mais på 31 millioner hektar og i 1999 240 millioner tonn mais på 29 millioner hektar. Dvs. en firedobling av utbytte per arealenhet dyrket mark. I 1998 var verdens matvareproduksjon på 5,034 millioner tonn (kilde: FAOSTAT, 1999), hvorav 99 % kommer fra landbruk mens fiske og jakt står for 1 %. Hadde denne mengde mat blitt jevnt fordelt hadde man kunnet gi 900 millioner mennesker mer enn den aktuelle befolkning en sunn diett på 2350 kcal per dag. Det er akkurat nok mat i verden per i dag, og den økte matvareproduksjon har funnet sted uten å øke totalt dyrket areal i nevneverdig grad siden 1960. Men slaget er langt fra vunnet. Man forventer at verdensbefolkningen vil doble seg nok engang i løpet av de neste 50 år, slik at man må klare å omtrent doble dagens produktivitet i landbruket for å unngå omfattende sult i verden.

Det er imidlertid problemer forbundet med det moderne jordbruket. Et alvorlig problem som kan bli et seriøst hinder for å oppnå den nødvendige dobling av produksjonskapasiteten er at tilgang til ferskvann er i ferd med å bli mangelvare i store deler av verden. I følge World Meteorological Organization ble 70 % av verdens ferskvannsopptak i 1997 brukt til irrigasjon av landbruksarealer. Og denne vannmengde ble benyttet på bare 17 % av verdens landbruksarealer, som alene stod for hele 40 % av den samlede matproduksjon dette år. FN anslo i 1997 at 1/3 av verdensbefolkningen lever i områder med moderat til høy stressgrad i vann-forsyningen, og det er forventet at hele 2/3 av verdensbefolkningen kan oppleve det samme i år 2025. Dette problem forsterkes ved i dag utnyttes vann ofte meget uhensiktsmessig da det tilføres landbruksarealer uten noen form for regulering av avrennings- og fordampningsforholdene. Enkelte studier har vist at planter i tørre varme strøk nyttegjør så lite som 2 % av den vannmengde som tilføres jordsmonnet.

Det er derfor opplagt at optimal bruk av ferskvannsressursene vil være en meget viktig faktor for å oppnå produktivitetsmålene for fremtidens landbruk, og at man trenger en fremgangsmåte og middel som radikalt kan øke utnyttingsgraden av tilført vann til jordbruksarealer.

Kjent teknikk

Det er kjent en rekke forskjellige filmer og belegg til bruk i jordbruk som dekke på flater som åker og vekstfelt, for å oppnå spesielle betingelser for plantevekst. Mest vanlig er forskjellige typer filmer som legges oppå jordene. Eksempler på slike teknikker er kjent fra for eksempel US 6 029 395, US 5 729 929, US 4 794 726 og US 3 775 147. Løsninger som skal legges oppå bakken kan av åpenbare grunner ikke få nevneverdig effekt på jordsmonnets vanngjenholdingsegenskaper og er dermed lite relevante for denne oppfinnelse.

Fra en tidligere norsk søknad av samme oppfinner som denne søknad, NO 20003587 er det kjent en hinnedannende pulverblanding som løses i et løsemiddel og deretter påføres et jordsmonn i flytende tilstand for å herde til en membran i et øvre sjikt i jordsmonnet. Pulverblandingen skal omfatte:

et bindemiddel av proteiner,

et fibermateriale som cellulose, papirfibrer, plantefibrer etc,

et løsemiddel som vann eller plantesaft,

minst ett mørkt og ett lyst pigment,

en animalsk eller vegetabilsk olje, og

en ammoniumforbindelse.

Blandingen kan også med fordel tilsettes en skumdanner og/eller et pH-regulerende middel, og blandingen skal fortrinnsvis lages av råstoffer som er et organisk avfall slik at den blir meget billig, fullstendig biodegraderbar og bidrar til å løse et avfallsproblem fra annet næringsliv. I tillegg vil membranen i seg selv være næring for plantevekstene. Oppfinnelsen i henhold til NO 20003587 har langt på veg samme målsetning som denne oppfinnelse, men membranen er bygget opp av andre stoffer og kan tiltross for en mer komplisert sammensetning på ingen måte utvise samme egenskaper som denne oppfinnelse. Både når det gjelder effektivitet og anvendelsesområder.

TILCO Biochemie GmbH har markedsført alginatbaserte produkter til bruk som jordforbedrer. I følge hjemmesiden: http://www.tilco-biochemie.de/produkte.htm, har de siden 1960 tallet trekt ut alginsyre fra celleveggene til marine brunalger og omvandlet den til lavmolekylære alginater som er benyttet i en rekke uspesifiserte granulatprodukter. Disse granulater er oppgitt å være effektive midler i jord for å binde næringsstoffer og vann slik at planter kan nyttiggjøre seg dem.

Oppfinnelsen målsetning

Hovedmålsetningen til denne oppfinnelsen er å fremskaffe et høyeffektivt middel som radikalt kan endre jordsmonnets evne til å holde på vann og næringssalter, virker antioksiderende på omgivelsene og som kan endre jordsmonnets albedo.

En annen målsetning med oppfinnelsen er at den skal tilveiebringe et middel som kan øke avlingene på en så enkel og billig måte at bønder i de fattigste strøk av verden får råd til å benytte den.

En ytterligere målsetning er å fremskaffe et middel som kan effektivt og billig kan omvandle varme ufruktbare tørre områder til fruktbar mark.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsens målsetning oppnås ved det som framgår av følgende beskrivelse av oppfinnelsen og vedhengte patentkrav.

Denne oppfinnelse er en videreutvikling av membranen presentert i norsk patentsøknad NO 20031167 og som er videreført som PC17NO04/00071. Begge søknader eies av samme søker som for denne søknad, og innlemmes i helhet ved referanse. Nærmere bestemt er denne oppfinnelse en membrandannende pulverblanding med en enklere sammensetning enn det membrandannende pulver som er presentert i referansesøknadene, og som tiltross for sin enkle sammensetning utviser overraskende høy og langtidsvirkende effekt som vekstfremmende middel for planter. Kombinasjonen av de vann- og næringsmiddelgjenholdende, antioksiderende og temperaturregulerende egenskapene gjør pulverblandingen i henhold til denne oppfinnelse meget godt egnet til å gjøre tørre landarealer slik som for eksempel ørkenstrøk om til fruktbare jordbruksareal. Men oppfinnelsen kan naturligvis også gjøres godt egnet til å øke trivselen for plantevekster i nær sagt alle andre klimaforhold ved å tilpasse forholdet mellom hvilke typer alginat og pigment man benytter.

Foreliggende oppfinnelse er basert på erkjennelsen av at alginat utviklet av marine brunalger er velegnet til å danne en gel med utmerkede langtidsvirkende vann-bindingsegenskaper i et jordsmonn og at alginat i seg selv virker antioksiderende på ozon og andre frie radikaler i et jordsmonn når karboksyl syrene i alginatmonomerne er dissosiert. Kombinerer man disse egenskaper med den albedoregulerende effekten til pigmenter, kan man danne en pulverblanding som ved innløsning i vann vil danne en gel som ved påføring til et jordsmonn vil trekke et vist stykke ned og danne en underliggende vann- og næringsstoffgjenholdende membran samtidig som pigmentene blir gjenholdt og danner sammen med en del av alginatforbindelsene et albedoregulerende pigmentsjikt på jordsmonnets overflate. På denne måte kan man løse to alvorlige problemer for plantevekst i tørre varme strøk: At temperaturen i toppjorden blir varmere enn plantenes trivselstemperatur og at tørr jord som regel har for dårlig vannbindingsevne slik at tilført vann renner raskt ned i jordsmonnet og blir utilgjengelig for planterøttene.

Et meget viktig trekk ved membranen i henhold til oppfinnelsen er at den skal ha en sterk og langtidsvirkende antioksidisk effekt på ozon og andre frie radikaler i og like over jordtoppen. Dette trekket er meget viktig fordi oppfinneren har oppdaget at ozonskader på vegetasjon ikke først og fremst skyldes lufttransportert ozon slik konvensjonell lære tilsier, men fordi ozon dannes lokalt i fuktig jord/sand når den belyses med UV-B stråling (sollys inneholder denne UV-fraksjonen). Den optimale løsningen på problemene med ozonskader på vegetasjon er dermed ikke å impregnere plantene slik mange konvensjonelle løsninger er fokusert mot fordi deler av røttene og friskt utvokste deler (etter impregneringen) også vil bli utsatt for ozonet. Løsningen er derfor å stanse ozonproduksjonen i bakken. Dette er spesielt viktig for tørre og varme strøk da disse har størst påtrykk av sollys og tilsvarende sterk produksjon av bakkenær ozon. Oppfinneren har oppdaget at den ozon-ødeleggende virkningen til membranen i henhold til oppfinnelsen kan forsterkes og gjøres mer langtidsvirkende ved å i det minste mette pulverblandingen på elektroner før den løses med vann for å danne en gel. Man kan med fordel også benytte sterke nok ioniseringsmidler til å overmette pulverblandingen på elektroner, dvs. gi pulveret elektroner i overskudd. Dette trekket er bekreftet med feltforsøk på membranen i henhold til referansesøknadene NO 20031167 og PCT/NO04/00071, hvor det ble oppnådd at ved hjelp av ioniseringen av membranen fikk man både en mer langvarig og sterkere antioksidantvirkning: den behandlede membranen (dannet av E-feltbehandlet pulverblanding) ga et O3-konsentrasjon på mellom 2-8 ppb de 5 første dagene og deretter en sakte økende tendens på ca. 1 ppb per dag, mens den ubehandlede membranen (dannet av ubehandlet pulver) viste 12-23 ppb den fem første dager og deretter en raskere økende tendens på ca. 4 ppb /dag. O3-konsentrasjon i luften var ca. 40 ppb. Membran i henhold til denne oppfinnelse er kjemisk sett noenlunde lik membranen i henhold til referansesøknadene, slik at det er forventet at membranen i henhold til denne oppfinnelse får tilsvarende utbytte av ioniseringsprosessen/elektronmetningen.

En ytterligere fordel ved å mette pulverblandingen i henhold til oppfinnelsen på elektroner, dvs. å gjøre den resulterende overflaten til membranen elektronegativ, er at dette vil bidra til å øke plantenes næringsopptak. Med elektronegativ menes at membranen er mettet på overskuddselektroner og får dermed størst mulig potensial-differanse i forhold til gassmolekyler, svevpartikler etc. i atmosfæren. Under-søkelser utført av oppfinneren viser at pollenkorn og andre organisk svevende partikler i hovedsak har positiv elektrofysisk karakter (underskudd på elektroner), og blir dermed tiltrukket av overflater med overskuddsladninger. Dette funn stemmer overens med observasjoner av svevemønsteret til synlig frø slik som for eksempel løvetann, hvor en tydelig ser at de har en tendens til å sveve over elektro-positive flater slik som eksempelvis asfalt, betong, tettbeplantede plenflater etc. for så å falle til jorden på flater av elektrisk nøytral og negativ karakter. Dermed vil man ved å sørge for at membranen i henhold til oppfinnelsen blir negativt ladet oppnå at den vil aktivt motvirke bakkens tendens til å bli elektropositiv, slik at et jordsmonn belagt med en membran i henhold til oppfinnelsen vil i større grad enn ubelagte jordsmonn tiltrekke seg partikler som støv, pollen, vanndamp fra luften like over bakken, og på den måten vil jordsmonnet aktivt tilføres næringsstoffer luften. Forsøk utført av oppfinneren viser at partikkeltettheten på en negativt ladet - membran i henhold til oppfinnelsen er tre ganger høyere enn en positivt ladet membran. Videre har man at membranen i følge oppfinnelsen vil være elektronegativ når den har en pH > 7 og elektropositiv når pH < 7. For å sikre en tilstrekkelig høy pH, kan det for enkelte jordsmonn være fordelaktig å tilsette pH-regulerende midler som salter av alkaliemetallene (natrium, kalium, kalsium etc), plantesafter, aske, basiske mineraler etc. Disse pH-regulerende tilsetningsstoffene er også gunstige i den forstand at de også er næringsstoffer for planter og dermed miljøvennlige og biologisk nedbrytbare.

I et første aspekt gjelder oppfinnelsen en pulverblanding, som er kjennetegnet ved at den omfatter: tørkede og oppmalte marine brunalger tilsatt minst ett pigment, hvor de marine brunalger er sammensatt av kontrollerte andeler av pulver dannet av stammevev og bladvev av brunalgen Laminaria hyperborea, og hvor pulverblandingen er eksponert for et E-felt med negativ polaritet slik at materialet i det minste blir mettet på elektroner.

I et annet aspekt av oppfinnelsen, er det fremskaffet en metode og middel for å øke membranmaterialets vannbærende effekt utover en ren alginatblanding. Denne metode baseres på å utnytte stoffer fra enkelte plantevekster man naturlig finner i ekstremt tørre og vannfattige områder på kloden, hvor disse plantevekster skaffer seg vann selv om resten av naturen i stor grad er uttørket. Et slikt stoff i denne sammenheng er tørket og knust rav. Det tørre ravmaterialet høstes fra steingrunnen og knuses eller forstøves. Støvblanding innblandes i membran- blandingen ved hjelp av blandingsutstyr slik som ultra Turax-miksere og ved blandingsforhold 10 deler rav og 90 deler alginat. Ved oppløsning av blandingen i vann og deretter påføring til en tørr sandmasse, dannes et svampaktig legeme som på grunn av tilsetningen av pulverisert rav har fått ca 30 % større evne til å holde på vann enn den opprinnelige alginatblandingen. Lignende effekt er oppnådd etter å ha blandet inn 10 % finmalte (melkonsistens) tørkede moser av type levermose og riccia fluitans. Uten å være bundet at teori, antas det at disse typer vegetasjon i tørket oppmalt tilstand gir alginater større vannbærende effekt ved øke geldannelsen.

I sum er pulverblandingen i henhold til oppfinnelsen kjennetegnet ved at den omfatter kun tørkede og oppmalte marine brunalger tilsatt pigmenter med tilstrekkelig grov kornstørrelse til at pigmentene blir gjenholdt på toppen av jordsmonnet når gelen trekker ned i jordsmonnet, og at pulverblandingen er i det minste mettet på elektroner ved påføring av et elektronegativt ioniseringspotensial. Dermed, på samme vis som for pulverblandingen i referansesøknadene, er også pulverblanding i henhold til denne oppfinnelse en elektronegativ, antioksiderende, miljøvennlig og biologisk nedbrytbar blanding av organiske materialer som kan påføres og blandes med fuktig jordsmonn som tørrstoff eller tørt jordsmonn i flytende tilstand, og som deretter herder/stivner til en nedbrytbar membran oppe på og/eller i en gitt dybde nede i jordsmonnet. Alle komponenter i basisblandingen skal være elektronegative og virke antioksiderende på omgivelsene, slik at dette legger en føring på valget av mulige pigmenter.

Med tanke på den relativt enkle sammensetningen av pulverblandingen, er det overraskende at meget små mengder av pulveret ved utblanding i vann og påsprøyting et jordsmonn, kan danne en langvarig og langtidsvirkende membran like under toppen av jordsmonnet. Det er utført praktiske forsøk i Kuwait og Egypt som viser at selv så små mengder som 0,5 g tørrpulver per m sandflate etablerte en membran som økte oppholdstiden på vann tilstrekkelig til at vanningsbehovet til prøvefeltet sank med mer enn 50 %. Vi gjør oppmerksom på at denne virknings-graden er så stor at det blir realistisk å behandle enorme områder. 0,5 g/m<2>betyr et forbruk på kun 0,5 kg per mål og at et halvt tonn av pulveret er nok til å dekke 1000 km<2>. Hvis målsetningen er kun å binde jordtoppen, har man oppnådd en langtidsvirkende toppmembran lagd av tørrstoffmengder ned mot kun ca. 0,3 g/m<2>som effektivt binder sandtoppen og hindrer sandflukt ved stor vindbelastning. Det er til og med oppnådd tilsiktet effekt av oppfinnelsen ved så små mengder som 0,1 g/m . Dette viser til fulle at pulveret i henhold til oppfinnelsen er et uvanlig drøyt middel til å etablere vegetasjon, dyrke nytteplanter og/eller stanse erosjon og sandflukt i ørkenstrøk. Og i og med at oppfinnelsen kan benyttes ved en så enkel metode som å løse den i vann og deretter sprøyte den utover jorden/sanden, og at alle nødvendige ingredienser i pulverblandingen i henhold til oppfinnelsen er lettbearbeidelige og billige i anskaffelse for produsenten, er det opplagt at denne oppfinnelse blir uvanlig billig i anskaffelse og bruk for sluttbrukeren sammenlignet med kjente tilsvarende produkter på markedet. Dermed er det mulig å nå målsetningen med at selv fattige bønder skal ha råd til å benytte oppfinnelsen.

På samme vis som for pulverblandingen presentert i referansesøknadene, er det foretrukket at denne pulverblanding også skal være biologisk nedbrytbar og i seg selv fungere som næringsmiddel for planetene, at den skal være produsert av organiske avfallsstoffer fra naturen, industri og/eller husholdninger. På denne måte oppnås det et miljøvennlig hjelpemiddel/jordforbedringsmiddel som har liten/ingen skadelig virkning på økosystemene oppfinnelsen benyttes i, og som i tillegg gir et bidrag til å redusere noen avfallsproblemer. I tillegg vil bruk av avfall gjøre råstoffene meget billige i innkjøp, noen vil være gratis mot avhenting og enkelte kan man til og med få betalt for å ta hånd om, slik at oppfinnelsen utgjør et meget rimelig antioksiderende jord- og vekstforbedringsmiddel. Det at råstoffene er billige og at virkningen av pulverblandingen er sterk slik at den blir eksepsjonelt drøy i bruk, er et viktig trekk ved denne oppfinnelse fordi den er tenkt brukt også i de fattigste strøk av verden hvor kjøpekraften er meget svak. Dette er en egenskap som skiller denne oppfinnelse fra kjente tilsvarende løsninger, og er dessuten en helt nødvendig forutsetning for å bidra til å utbedre matforsyningssituasjonen i de fattigste og tettest befolkede områder i verden.

Og på samme vis som for pulverblandingen i referansesøknadene, kan man tilsette pulverblandingen i henhold til denne oppfinnelse de samme kontrollerte mengder tilleggsstoffer for å gi den resulterende hinnens ytterligere egenskaper for å dekke en eller flere behov utover egenskapene til basispulveret. Disse tilleggsbehov og nødvendige egenskaper er utførlig presentert i referansesøknaden, slik at det gis bare et stikkordresymé her. - Mulige tilsetningsstoffer: Binde/armeringsmiddel, konserveringsmiddel, pH-regulerende middel, antioksidanter, næringsstoffer og midler for å regulere hinnens/membranens elektriske ledningsevne etc. - Mulige tilførte egenskaper: Mekanisk funksjonalitet (styrke, elastisitet), væskepermeabilitet, lysrefleksjonsegenskaper, elektrisk ledningsevne, holdbarhet/nedbrytningshastighet osv., og derved oppnå mulighet til å justere mekanisk kvalitet, temperaturforhold, næringsopptak, redusere produksjon av bakkenære frie radikaler, vannavrenning, fordampningshastighet, brennbarhet, erosjonshastighet, kontroll med uønsket spiring og vekst av ugressarter mm. i det øverste sjiktet i jordsmonnet. I tillegg kan man ved bevisst valg av råstoffer også gi hinnen/membranen insektavisende egenskaper. Eksempler på mulige tilleggstoffer som har insektavisende egenskaper er saft fra planten lavendel, balsamfuru osv

Kort sagt blir hinnen/membranen i henhold til oppfinnelsen et meget fleksibelt jord, vekst og miljøforbedringsmiddel med et vidt felt anvendelser.

Selv om oppfinnelsen er utviklet som et middel for å omvandle for tørre og varme jordsmonn til fruktbar jord, kan oppfinnelsen anvendes for alle områder hvor man vil spare på vann og næringsstoffer, regulere vekstvilkår for planter, så som for eksempel innen jordbruk, hagebruk, grøntanlegg, idrettsbaner, vegkanter, osv. i nær sagt alle andre klimasoner

Nærmere redegjørelse for oppfinnelsen

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i større detalj, og det vil gis eksempler på foretrukne utføringer og anvendelser av oppfinnelsen.

For å gjøre oppfinnelsen lett tilgjengelig og praktisk anvendbar er den tenkt brakt ut på markedet i form av en tørrpulverblanding omfattende tørkede og oppmalte marine tang- og tarearter tilsatt minst ett pigment i pulverform, og hvor pulverblandingen er blitt behandlet med UV-lys og et elektronegativ ioniseringspotensial. Ved bruk løses typisk 0,3-2,0 g/m<2>av pulverblandingen i 1,0 liter vann eller annet egnet polart løsemiddel, for så å fordeles over ca. 1 m av jordområdet som skal behandles på egnet måte. Sprøyting er en opplagt metode. Det er påvist tilsiktet effekt av oppfinnelsen med pulvermengder fra 0,1 til 10,0 g/m<2>. Pulveret vil ved sterk omrøring i passende mengder vann lett løses og danne en passende seigflytende gel/væske som vil trenge en viss avstand ned i topplaget på jordsmonnet det påføres. Etter en tid vil gelen/væsken herde til en fast membran, mens pigment og noe av gelen blir holdt igjen på toppen av jordsmonnet og vil sammen med noe av den membrandannende løsningen danne et fast pigmentert overflatesjikt som endrer jordsmonnets albedo i ønsket retning. Valg av pigmenter vil bestemme hvilken farge og dermed albedo sjiktet vil få, og både type og mengde pigment vil naturligvis kunne tilpasses de lokale temperaturforhold og jordsmonn membranen er tenkt brukt i. Alternativ kan pulvermassen blandes inn i tørr sand i forholdet 1-5 g pulver per 100 g sand, og deretter tilsettes vann (ca. 1,0 liter) og fordeles over ca. 1 m<2>jordoverflate.

Valg av råstoff

Det er alginatet i de marine tang- og tarearter som er den aktive membrandannende ingrediensen i pulverblandingen i henhold til denne oppfinnelse. Alginat er en fellesbetegnelse for en familie av lineære polymerer bygget opp av (1—>4)-bundet 0-D-mannuronsyre og a-L-guluronsyre. Rent teoretisk kan man derfor fremstille pulverblandingen i henhold til denne oppfinnelse av ren alginat iblandet et pigment. Men fordi marine brunalger kan inneholde alginat opptil 40 % av algens tørrvekt, er det ikke funnet hensiktsmessig for denne oppfinnelse å trekke ut alginatet i ren form fra algemassen. Praktiske forsøk har vist at marine brunalger innholder

tilstrekkelige mengder til å danne mer enn sterke nok membraner slik at det blir

billigere og enklere å produsere pulverblandingen ved kun å tørke og male opp brunalgene. De andre stoffene i brunalgene vil utgjøre en naturgjødsel, og bidrar dermed til å fremme plantevekst. Det er derfor foretrukket å bruke oppmalte og tørkede marine brunalger som råstoff for denne oppfinnelse.

Polymersekvensene i alginat kan beskrives som en blokkpolymer som består av tre forskjellige typer blokker: G-blokker (homopolymere guluronsyre blokker), M-blokker (homopolymere mannuronsyre blokker) og MG-blokker (annenhver M og G) med lengde fra to monomerenheter og oppover. Sekvensen varierer fra nesten helt ren alternerende polymer (...MGMGM...) via tilfeldige sekvenser (...MMGMGMMG...) til sekvenser som består av rene blokk-polymerer (...GMMMMGGGGGMMMGGG...). Det er distinkte strukturelle forskjeller mellom blokktypene. MG-blokken danner de mest fleksibe kjedene og er mer løselig ved lav pH enn de to andre blokktypene. G-blokker danner stive kjeder, og to G-blokker bestående av mer enn seks residuer hver kan kryssbindes med multivalente kationer noe som gir geldannelse. G-blokker er altså den delen av sekvensen i alginat molekylet som selektivt binder multivalente kationer og dermed fører til sol-gel overgangen. Mengde og sekvens av de to monomerene varierer tildels sterkt mellom ulike algearter, og også mellom de forskjellige delene av samme alge. Også innhøstingstidspunkt og vekstbetingelser vil spille inn på alginatets monomer-sekvens. Helt generelt kan det skilles mellom algens stamme/stilk og bladvevet, stammen vil ha en høyere andel av G-blokker enn bladvevet.

En spesielt egnet og dermed foretrukket brunalgesort for denne oppfinnelse er Laminaria hyperborea som vokser i store mengder langs vestkysten av Norge. Denne brunalgen har stort bladverk som inneholder høye andeler av P-D-mannuronsyre (høy andel M-blokkert), mens stammen har et relativt høyt innhold av a-L-guluronsyre (høy andel G-blokker). Forsøk utført på vegne av oppfinneren har vist at P-D-mannuronsyre gir fleksibilitet og elastisitet til membranen i henhold til oppfinnelsen, mens a-L-guluronsyre gir mekanisk styrke og geldannelse som beskrevet over. For å kunne tilby brukeren et optimalt fleksibelt produkt, er det av interesse å kunne kontrollere de geldannende og vannbindende egenskapene i den resulterende membranen. Dette kan med bruk av Laminaria hyperborea meget enkelt oppnås ved å prosessere stilk- og bladvev hver for seg. Pulveret fra de to alginattypene kan deretter blandes til ønsket forhold for å gi et optimalt produkt for den aktuelle anvendelse. Pulverblandingene kan enten ferdigstilles for en rekke forskjellige anvendelser og tilbys for salg, eller man kan la brukeren blande de to alginatfraksjonene selv. Generelt gjelder at en høy andel av bladpulver i henhold til oppfinnelsen vil gi en relativt myk membran med høy vannretensjonsevne som vil trenge er relativt godt stykke ned i jordsmonnet. En høy andel stilkpulver i henhold til oppfinnelsen vil gi en relativt stiv membran med større mekanisk styrke, men tilsvarende dårligere vannretensjonsevne, og den vil i ikke trekke så godt ned i jordsmonnet. I tilfeller hvor man innblander en andel mel fra rav, mose etc. i brunalgepulveret, kan man hvis ønskelig redusere andelen av pulver fra algenes stammevev reduseres (reduserer andelen av G-blokker i alginatmassen).

En annen faktor som spiller inn på membrandannelsen er alginatkonsentrasjonen. Dette skyldes de geldannende egenskapene i alginat. Geldanningsprosessen kan beskrives ved at segmenter av en lineær polymer i løsning reagerer med andre segmenter og dermed danner forgrenede kjeder. Dette vil øke molekyl vekten og ved det øke antall seter for kryssbinding. Når flere og flere enheter reagerer vil molekyl-vekten gå mot uendelig. Ved det såkalte gelpunktet vil det største individuelle molekylet fullstendig fylle beholderen det befinner seg i. Blandingen vil nå ikke lenger flyte som en polymerløsning, men ha egenskaper som et fast stoff i likevekt med omgivelsene. Denne definisjonen av geldannelse impliserer at en høyere konsentrasjon av alginat vil føre til en hurtigere og kraftigere geldannelse. Forsøk utført for oppfinneren rapporterer at membrantykkelsen øker ved lavere konsentrasjoner. Dette skyldes at alginatløsningen ved lave konsentrasjoner trenger lengre tid til å kryssbinde G-blokkene sine. Forsøkene ble utført med en løsning av bladalginat fra Laminaria hyperborea på sand som tilsvarer ørkensand i Egypt (der fullskalaforsøk er gjennomført), og med overflatetemperatur på 35 °C. Membrantykkelsen er rapportert til 1,9 cm (alginatkonsentrasjon lA g/L m2) og 0,8 cm (alginatkonsentrasjon 2 g/L m2) ved 35 °C.

En tredje faktor som spiller inn på den ferdige membranens egenskaper er binding med multivalente kationer, da fortrinnsvis kalsiumioner. Et toverdig kation vil føre til en koordinert binding mellom fire g-enheter på to polymerkjeder, hvor to og to g-enheter sitter ved siden av hverandre på samme kjede. På grunn av stereokjemi vil de aktuelle G-blokkene få en sikksakkonformasjon, og når de to polymerkj edene ligger bundet sammen vil kjedene se ut som innmaten i en eggboks. Tilsats av kalsiumioner vil gi en øyeblikkelig geldannelse. Geldannelsen er termostabil og irreversibel. Ved å tilføre kontrollerte mengder av kalsiumioner til jordsmonnet, for eksempel ved å preparere jordsmonnet med et kalsiumsalt før membranpåføringen vil alginatløsningen raskt danne en stabil gel. Denne egenskapen kan også benyttes til å skreddersy membranens egenskaper. Siden kalsiumionene først og fremst bindes til G-blokkene, kan den optimale mengden beregnes i et 1:1 molforhold mellom disse G-blokkene og de frie kalsiumionene. Dette vil gi geldannelse hvor faktorer som vannretensjonsevne, "sette"-tid for gelen og membrandybden er fult ut kontrollerbare. For at dette skal være mulig må forholdet mellom M-, MG- og G-blokker være kjent, også gjennomsnittelig molekylvekt og egenviskositeten må være kjent. Dette kan utføres ved NMR analyse og beregninger som er beskrevet i avsnittet under.

Pigmentene som skal anvendes i pulveret kan velges fritt blant alle kjente pigmenter såfremt de ikke har en elektropositiv virkning (er en oksidant) og så fremt de er biologisk nedbrytbare/nyttbare for plantene. Fargen på pigmentene vil naturligvis avgjøre beleggets albedo, og det bør velges lyse pigmenter i tilfeller hvor det er ønskelig å senke temperaturen i jordsmonnet og mørke der det er ønskelig å øke temperaturen. Eksempler på egnede pigmenter er utførlig presentert i referanse-søknadene NO 20031167 og PCT/NO04/00071. Alle pigmenter omtalt der kan også benyttes i denne oppfinnelse. Eksempler på egnede og foretrukne fibere er cellulosefibere fra oppmalt trevirke, bark, papp, papir, hamp og lignende, oppmalt plantefiber fra strå, aks, halm, siv, lav, mose, torv, røtter og lignende, og fibere fra tekstiler så som ull, bomull, viskose, silke, lin og lignende, og animalske fibere som hår, bust, knuste fjær og lignende.

For å øke hinnens/membranens refleksjonsgrad er det foretrukket å benytte en eller flere av følgende materialer i tørrpulverform som pigmenter: Stein, kalk, sand, leire, kritt, skjell, oppmalte fuglefjær og lignende, hvite mineralpigmenter som T1O2, hvite plantefarger og/eller hvite plantefibre som bomull, myrull eller algebaserte bestanddeler med lys karakteristikk m.m.

For å redusere hinnens/membranens refleksjonsgrad, dvs. øke absorpsjonsgraden er det foretrukket å benytte en eller flere av følgende materialer i tørrpulverform som pigmenter: Aske, kull, sot, carbon black, grafitt og andre former for elementært karbon, jordpigmenter som oker, bein, skall fra dyr, skjell, fiskeskjell, mineralpigmenter, plantefarger, plantepigmenter, algebaserte bestanddeler med mørk karakteristikk m.m.

Det kan også benyttes mikroalger som pigment. Disse kan ha et vidt spekter av farger slik at de kan benyttes både til å øke og å redusere hinnens/membranens refleksjonsgrad.

Mengden pigment som tilsettes vil naturligvis variere med hvilken albedoregulerende effekt man ønsker å oppnå og valg av pigment, men vil vanligvis ligge innenfor 0,1 til 25 g per liter løsning.

Produksjon av pulveret

Blad- og stammevev fra Laminaria hyperborea blir mekanisk separert fra hverandre. Deretter males bladvevet og stammevevet hver for seg i våt eller tørket tilstand. Male- og tørkeprosessen skal resultere i et finmalt tørt pulver med melkonsistens. Enhver konvensjonell prosess for oppmaling av marine brunalger kan benyttes så fremt den ikke ødelegger alginatfraksjonen i vevet. 10 gram frisk brunalge vil typisk resultere i omtrent 3 gram tørket pulver.

Etter at pulveret er oppmalt, skal det mettes på elektroner til i det minste elektrisk nøytralitet ved å eksponere pulveret for et elektronegativt ioniseringspotensial. Male og tørkeprosessen vil uvegerlig medføre at elektroner løsrives fra pulvermassen og gi pulveret en elektropositiv karakter. Denne prosessen må i det minste reverseres (fylle igjen alle elektronhull) for å unngå at membranen får motsatte egenskaper enn ønskelig, men kan med fordel kjøres så langt at pulverblandingen blir tilført elektroner i overskudd. Deretter tilsettes ønsket pigment og eventuelt andre ønskede tilleggsstoffer.

Om ønskelig kan man gjennomføre rutinemessige undersøkelser med NMR for å bestemme komposisjon av polymeren for å sjekke at råstoffet inneholder ønsket andel av M- eller G-blokker (dette er varierer med årstiden). Andelen alginat rik på G-blokker og alginat rik på M-blokker blir så kontrollert blandet for å gi et ønsket forhold i det ferdige pulverproduktet. Alternativt kan man selge pulveret som en G-og en M-fraksjon og la kundene blande de selv.

Påføring av membranen

Ved bruk kan pulveret enkelt løses i vann og sprøytes jevnt over det areal som skal behandles. Normalt vil man benytte fra 0,3 til 10 gram tørrstoff pr liter vann pr m<2>, men det har vært utført forsøk hvor man har oppnådd tilstrekkelig virkning med så lite som 0,1 g tørrstoff/1. En liter væske bør normalt påføres 1 m jordareal.

Hvis ønskelig kan det tilsettes frø i væske eller tørrstoffblandingen rett før membranen etableres. Frøet får således fuktighet, mekanisk stabilitet og lavere temperatur i spireperioden som oftest ligger innefor tre til syv dager. Deretter vil membranen kunne løses opp av naturlige nedbrytningsmekanismer og opptas som næring i den mikrobiologiske sirkel.

Pulverblanding beregnet for bruk i ørkenstrøk

Problemet med etablering av vegetasjon, herunder plantevekst i ørkenstrøk er ofte en kombinasjon av at toppsjiktet til sanden er løs bundet og er dermed sårbar for vinderosjon, at sanden inneholder få næringsstoffer, at sanden har for dårlig vannretensjonsevne, og at sanden blir for varm på dagen pga. intens belysning av sollys (det er målt sandtemperaturer på over 100 °C).

Det er åpenbart nødvendig å senke sandtemperaturen på dagtid til dels kraftig i ørkenstrøk for at planter skal få optimale vilkår. Det bør derfor legges en membran som har en lys overflate slik at en større andel av sollyset reflekteres fra bakken. Normalt for ørkenområder er at rødlig ørkensand har en albedo rundt 15 %, og hvit ørkensand ved solen i zenit på rundt 25 %. Målinger ved solen i zenit utført for oppfinneren av overflatetemperaturen på slike sandflater, ga at den røde sandflaten med albedo på 15 % var 140 °C, og 94 °C for hvit sand med albedo 25 %. Den hvite sanden hadde en partikkelstørrelse tilsvarende 1/6 del av den røde, slik at absorpsjonsarealet for sollyset på det hvite feltet var mindre enn for det røde.

I tropiske områder vil det derfor være meget gunstig å gi membranen i henhold til oppfinnelsen størst refleksjon på den tiden av dagen da solbestrålingen er mest intens. Det er derfor vektlagt å finne frem til en blanding med karakteristisk dynamisk refleksjon som medfører at den del av overflatemembranen som blir varmest, også blir mest reflekterende og den som har lavest temperatur blir mørkest. Dette er et vesentlig trekk for anvendelser av oppfinnelsen i geografiske områder med lav nattetemperatur og høy dagtemperatur.

Dette er i henhold til oppfinnelsen oppnådd ved å benytte pigmenter som har en retningsbestemt reflektorflate, og ved å innrette pigmentenes reflektorflater tilnærmet i samme plan på en slik måte at de får maks refleksjonsvirkning når solen er i zenit. En enkel og meget sikker metode å oppnå dette på er å bruke pigmenter som har en geometri med noenlunde flat/langstrakt karakter, slik som for eksempel staver, sylindere, skiver, plater, etc. Den flate/langstrakte karakteren på geometrien til slike pigmenter vil medføre at de vil tendere til å legge seg ned på toppen av et jordsmonn slik at en oppadvendende langside vil tendere til å innrettes i horisontal-planet. Et eksempel på et ypperlig egnet pigmentmateriale til dette formål er knuste hvite fuglefjær, både fordi de gir lange stavformede, eller sylindriske pigmenter som i høy grad vil innrette seg og fordi fuglefjær er i dag er avfallmateriale og således et meget billig råstoff. Pigmentvirkningen kan forsterkes ved å iblande en fraksjon mineralske pigmenter slik som for eksempel Ti02. Et alternativ er å benytte temperaturfølsomme pigmenter som er lysere ved relativt høye temperaturer og mørkere ved lavere temperaturer.

En viktig faktor i denne sammenhengen er å gjøre selve gelen eller basisblandingen transparent eller i det minste så lys som mulig slik at membranens farge eller albedo bestemmes i størst mulig grad av de tilsatte pigmenter. Dette kan oppnås ved å bleke pulvermassen fra oppmalingen og tørkingen av de marine tang- og tarearter før tilsetning av det/de ønskede pigment(er). Dvs. pigmentene i de marine tang- og tarearter bør fjernes fra pulvermassen. Blekingen av pulveret kan utføres etter oppmaling ved tilstats av et konvensjonelt blekemiddel og samtidig eksponere blandingen for UV-lys. (315 - 250 nm)

Det er funnet hensiktsmessig å samtidig behandles den blekede pulverblandingen med et elektronegativt ioniseringspotensial for å mette den med elektroner. Dette fordi ioniseringen produseres ozon som er et effektivt blekemiddel. Resultatet er en lyst bleket pulver som vil danne en tilnærmet transparent membran, men som ved tilsats av lyse pigmenter vil danne en lys membran som senker sandtoppens albedo radikalt. Dette er løsning på problemet med for høye sandtemperaturer. Spesielt foretrukne pigmenter i dette tilfellet er høyreflekterende pigmenter fra knuste fuglefjær, eventuelt innblandet mineralpartikler. Knusingen av fuglefjærene vil gi stavformede pigmenter, og det er foretrukket at disse har en lengde på opptil 1 -2 mm, fortrinnsvis i området 0,1 til 0,5 mm. Målinger utført av oppfinneren viser at membranen i henhold til oppfinnelsen senker jordflatens overflatetemperatur med 2 °C pr. % reduksjon i bakkens albedo.

Når det gjelder problemet med for dårlig vannretensjonsevne kan dette løses ved å benytte en høy andel bladpulver fordi det vil danne en myk membran med høy vannretensjonsevne og som vil trenge relativt langt ned i sanden. Dermed vil plantenes røtter få en bedret tilgang til vann. En sekundæreffekt av senket sandtemperatur er også at fordampningshastigheten av vann fra sanden senkes tilsvarende. Dette vil også bidra til å forbedre plantenes vannforsyning. Problemet med dårlig tilgang på næringsstoffer vil avhjelpes ved at pulverblandingen inneholder rundt 60 vekt% av de resterende stoffene fra de marine brunalgene. Disse stoffer vil fungere som gjødsel. Det kan imidlertid tenkes at gjødslingen av sanden bør økes utover det membranen gir. I slike tilfeller kan man iblande pulveret standard gjødning såfremt den ikke virker som en oksidant (mange kunstgjødsel har slik virkning). Egnede gjødsler er utførlig presentert i referansesøknadene NO 20031167 og PCT/NO04/00071, og omtales ikke nærmere her.

Hvis området er sterkt utsatt for erosjon kan det være nødvendig å øke andelen av pulver fra stammevevet da dette gir en membran med større mekanisk styrke og dermed jordbindingsevne. Ulempen er at en slik membran vil ikke trenge like langt ned i bakken og vil ha en dårligere vannretensjonskapasitet. Dette problemet kan løses ved å først legge en vannmettet rotsonemembran dannet av bladpulver og deretter legge en toppmembran av dannet stammepulver.

Verifikasjon av oppfinnelsen

Bak denne oppfinnelse ligger mer enn tre år med utprøvinger og målrettet forskning. Dette utviklingsarbeid har vært i regi av oppfinneren og utført ved institusjoner som Planteforsk Særheim, Norges Teknisk Vitenskapelige Universitet, samt ved en rekke prøvefelt i land som Spania, Kuwait, Egypt og Forente Arabiske Emirater.

Utprøvingsarbeidet har vist at membrandannelsen og dermed den albedoregulerende effekten til den ferdige membranen er avhengig av det lokale klimatiske forhold og jordsmonnets beskaffenhet. For å oppnå optimale resultat er det viktig at etter påføring av den membrandannende gelen/væsken, at den er passende seigflytende slik at den trenger et stykke ned i jorden og danner et "svampaktig" legeme som deretter herder til ferdig membran. Samtidig skal pigmentene i gelen/væsken bli holdt igjen og legge seg på toppen av "svampen", og den toppen skal ligge på jordtoppen. Som nevnt er geldannelsen til alginater sterkt avhengig av hvilken type blokker den inneholder, alginatets konsentrasjon i løsningen og hvor mye gelfremkallende stoffer det finnes i jorden naturlig (flerverdige mineralske salter). Dette betyr at for å oppnå optimale resultater, må man ha kontroll over disse faktorer.

For solbelastede områder med lav vanntilgjengelighet har målsetningen med utviklingsarbeidet vært å finne den optimale pulverblandingen for å oppnå en reduksjon av vanndamptrykket (dvs. fordampningen) på overflaten med 40 % og en reduksjon av nedsiget av tilført vann til grunnvannet på minst 50 %.

Nedenfor presenterer en rekke testresultater av to membraner i henhold til oppfinnelsen som oppnådde dette mål (minst 40 % reduksjon av fordampningen og minst 50 % reduksjon av nedsiget).

Resultater for membran i henhold til første aspekt av oppfinnelsen

Den første membrantypen som er testet var i henhold til det første aspekt av denne oppfinnelse, en membran dannet av kun tørket og oppmalt brunalge tilsatt pigment. Det ble brukt tørket og oppmalt blad- og stammevev fra Laminaria hyperborea, i en blanding som ga 75 % M-blokker og 25 % G-blokker tilsatt et høyreflekterende pigmentmateriale bestående av knuste fuglefjær fra høns iblandet 40 vektdeler Ti(>2. Membranen ble dannet av 1,0 g oppmalt brunalgepulver tilsatt 1,0 g av pigment-blandingen. Resultatene for temperatur og fuktighet i bakken er gjengitt i Tabell 1.

I tillegg er følgende effekter av membranen påvist av utprøvingene:

Egypt: Påvist evne til å trekke dugg / fuktighet fra luft til membran. Påvist evne til å stoppe sandflukt, vindtunnelforsøk resulterte et tap på marginale 0,8 gram sand etter 126 dagers forsøk. Påvist evne til å øke spireandel frø fra 55 % til 99 %. Påvist evne til å redusere spiretid fra 5 til 2,5 døgn

Spania: Påvist evne til å redusere vannforbruk på gress med mer enn 50 %. Påvist evne til å øke rottetthet på gress. Påvist evne til å bedre vekstbetingelsene for gress.

NTNU 2003 - 2004: Påvist evne til å binde vann i membranmassen. Påvist evne til å danne membran i sandmasse. Påvist evne til å danne submembran i sandmasse.

Planteforsk Særheim: Påvist evne til å redusere dannelse av O3i mikrosjiktet over membranen. Påvist evne til å senke jordtemperatur med 5 °C (på Jæren, Norge)

Resultater for membran i henhold til første aspekt av oppfinnelsen

Den andre membrantypen er i henhold til det andre aspekt av oppfinnelsen hvor man tilsetter tørket og oppmalt rav. Sammensetningen av den membrandannende massen var: Alginatblanding av brunalge med 35% M-Blokker og 65% G-Blokker tilsatt 10% mel av rav og 3% mineralsk høyreflekterende pigmentmateriale (knuste fuglefjær fra høns iblandet 40 vektandeler T1O2).

I dette tilfellet ble testresultatene:

Sammenligner man resultatene i Tabell 2 med Tabell 1, ser man at membranene gir omtrent samme effekt på temperatursenkningen, men at membranen i henhold til aspekt 2 (iblandet mel av rav) øker vannbindingsevnen med opptil 30 %.

Vi ber om at man legger merke til at selv med en membran dannet av 1 gram tørket brunalgemasse og 1 gram pigmentmasse per kvadratmeter sandareal, oppnår en senking av temperaturen på 15-25 °C og en meget markant økning av fuktigheten i sanden på opptil en faktor mange. I disse utprøvinger er det demonstrert at oppfinnelsen kan gi et signifikant bidrag til å løse matvaresituasjonen fordi den klarer å omvandle ørkenstrøk til fruktbare områder på en meget enkel og svært billig måte.

Claims (11)

1. Pulverblanding, karakterisert vedat pulverblanding omfatter tørkede og oppmalte marine brunalger tilsatt minst ett pigment, hvor de marine brunalger er sammensatt av kontrollerte andeler av pulver dannet av stammevev og bladvev av brunalgen Laminaria hyperborea, og hvor pulverblandingen er eksponert for et E-felt med negativ polaritet slik at materialet i det minste blir mettet på elektroner.

2. Pulverblanding i henhold til krav 1, karakterisert vedat andelen pulver dannet av bladvev som benyttes medfører at andelen M-blokker i alginatmassen er innenfor 20 til 80 vekt% av total alginatmasse i pulverblandingen, fortrinnsvis innenfor 35 til 65 vekt% og mer foretrukket rundt 50 vekt%.

3. Pulverblanding i henhold til hvilket som helst av krav 1 eller 2,karakterisert vedat pulverblandingen blekes ved tilsats av et blekemiddel og deretter eksponeres for UV-lys.

4. Pulverblanding i henhold til hvilket som helst av krav 1 til 3,karakterisert vedat pulverblandingen tilsettes tørket og oppmalt rav og/eller moser.

5. Pulverblanding i henhold til krav 4, karakterisert vedat mosen er av typen levermose eller Riccia fluitans.

6. Pulverblanding i henhold til hvilket som helst av krav 1 til 5,karakterisert vedat pulverblandingen tilsettes fra 0,1 til 50 g, fortrinnsvis fra 0,5 til 25 g, og mest fortrinnsvis fra 1,0 til 10 g pigment.

7. Pulverblanding i henhold til krav 6, karakterisert vedat det benyttes et pigment som har en geometri med flat karakter.

8. Pulverblanding i henhold til krav 7, karakterisert vedat pigmentene har en stavformet, sylindrisk, skiveformet eller platelignende fysisk utforming.

9. Pulverblanding i henhold til hvilket som helst av krav 6 til 8,karakterisert vedat det benyttes oppmalte fuglefjær som pigment.

10. Pulverblanding i henhold til krav 9, karakterisert vedat fjærene stammer fra hvite hønsefugler.

11. Pulverblanding i henhold til krav 9 eller 10, karakterisert vedat det tilsettes partikulert TiChtil de oppmalte fuglefjærene.