Ogräsbekämpning med mikrovågor 2450 MHz och 915 MHz.

1993 hade man gränsvärdet för mikrovågor, 0,1 W/m2 för exponering över två timmar. Frågan är hur hög dos vi tål vid exponering dygnet runt? Enligt Berndt & Söderhjelm (1991) finns det undersökningar bland annat från f d Sovjetunionen som visar att det finns vissa atermiska effekter d v s effekter på människokroppen som inte hör samman med förhöjd kroppstemperatur. Det rör sig om effekter som anses uppstå vid långvarig exponering av fält med låg fältstyrka.

Rapport – Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för lantbruksteknik

Mikrovågor för ogräsbekämpning – en litteraturstudie  från 1971 – 1993

Behovet av icke kemiska metoder för ogräsbekämpning är mycket stort. Under 70- och 80-talen pågick en hel del forskning när det gällde möjligheten att använda mikrovågor för ogräsbekämpning. Målet för det här projektet har varit att klar/lägga om fortsatt forskning med mikrovågor för ogräsbekämpning bör övervägas. Därför genomfördes denna litteraturstudie.

Det har gjorts försök med mikrovågsbehandling både på frön och växande plantor. Experiment en har oftast genomförts i laboratorium men ibland också i fältförsök.

Fördelen med denna metod är att även ogräsfrön nere i jorden kan behandlas. Det finns ingen annan icke-kemisk metod som kan användas för detta. Mikrovågor kan tränga ner i jorden och värme utvecklas. Det talas om atermiska effekter men det som orsakar att fröna skadas torde vara uppvärmningen.

De flesta experimenten som finns redovisade har gjorts med 2450 MHz ( våglängd 12,5 cm) och en del vid 915 MHz (våglängd 40 cm). Ju lägre frekvens desto bättre är inträngningsförmågan. För ogräsbekämpning vore det alltså önskvärt med lägre frekvens, men det är endast tillåtet att använda 2450 MHz i Sverige.

Utifrån redovisade försöksresultat är det svårt att dra några säkra slutsatser om metodens användbarhet. Försöken har genomförts under så skilda förutsättningar. Olika mikrovågsaggregat har använts och man har gjort experimenten med olika ogräsarter, olika jordar och vattenhalter. Dessutom har energiförbrukningen mätts på olika sätt, men man kan säga att den genomgående varit hög.

Jordens vattenhalt är avgörande för värmeutvecklingen i jorden. Värmen utvecklas först där vattenhalten är hög. Det ideala vore alltså att frönas vattenhalt var högre än den omgivande jordens. Tyvärr brukar det inte vara så. Normalt har frön och omgivande jord ungefär samma vattenhalt. Detta innebär att också den omgivande jorden måste värmas, vilket leder till att metoden blir energikrävande.

Jordens beskaffenhet avgör hur stort behandlingsdjupet blir. Jorden brukar inte vara jämn, vilket kommer att göra effekten av behandlingen ojämn också. På grund av säkerhetsrisker kommer det nog inte att bli aktuellt med fältmaskiner för ogräsbekämpning.

Det är mer troligt att behandling med mikrovågor kommer att användas för jord för planteringar.

Användning av ogräsfri jord skulle vara värdefull eftersom kostnaderna för handrensning skulle kunna minskas. Därför är mikrovågsvärmning intressant som jordbehandlingsmetod.

Värme skapas inuti det material som dämpar mikrovågorna.

*Värmen behöver inte ledas in från ytan mot centrum av lasten (d v s objektet som skall värmas).

*Man har ingen termisk tröghet vid uppvärmning med mikrovågor.

Parametrar som är viktiga för värmningen är:

*materialets dielektriska egenskaper,

*mikrovågornas frekvens,

*temperaturen vid början av och under uppvärmningen,

*produktens geometriska form.

Dielektricitetsfaktorn kan ses som ett mått på hur mycket elektrisk energi ett ämne kan lagra, och förlustfaktorn som ett mått på hur mycket energi som materialet kan omvandla till värme. Faktorerna varierar för olika frekvenser.

Vatten går bra att värma, vilket vi återkommer till senare.

Det specifika värmet är ett mått på hur mycket energi per kg av ett visst ämne som måste tillföras för att öka temperaturen 1 °C. Specifika värmet varierar mycket mellan olika material. Vatten har ett mycket högt värde. När en kropp som består av flera olika material med olika specifikt värme värms upp, så kan stora temperaturskillnader uppstå även om absorptionen av mikrovågor är jämn. Människan består av 60% vatten lus minus 15 %

Produktens geometriska form har stor betydelse för hur energin i mikrovågsfältet absorberas. Vågornas reflektion vid övergång mellan olika medier har betydelse. Det har också det faktum att vågorna träffar lasten från olika håll i hörn och vid kanter. Detta leder till att hörn och kanter värms snabbare än de centrala delarna.

Materialegenskaperna kan förändras kraftigt vid olika fasövergångar, vid någon viss temperatur eller frekvens. För en del ämnen ökar förlustfaktorn (mått på hur stor mängd energi som kan omvandlas till värme i ett material) kraftigt vid en viss temperatur. Tillförd mikrovågsenergi kommer då att selektivt värma de redan varmare områdena. Detta leder till överhettning, s k termisk rusning. Man kan undvika termisk rusning genom att minska tillförseln av mikrovågsenergi så att värmen hinner ledas bort.

Egenskaper som ledningsförmåga, laddningseffekter i heterogena material och dipoleffekter påverkar förlustfaktorn. I de frekvensområden som används för mikrovågsvärmning är dipoleffekter och joner oftast avgörande. Det finns tabeller för materialegenskaper där dielektricitets- och förlustfaktorn anges för olika material. På så sätt är det på förhand möjligt att avgöra om ett material lämpar sig för mikrovågsuppvärmning.

Mikrovågors inträngningsdjup

Mikrovågornas förmåga att tränga in är olika för olika material. Inträngningsdjupet är en viktig parameter när man skall bedöma om ett ämne lämpar sig för mikrovågsvärmning. I ett ämne där vågorna dämpas kraftigt blir inträngningsdjupet litet. Man får en kraftig uppvärmning av ytan, medan endast lite energi kvarstår för uppvärmning av materialets inre delar.

I material där mikrovågorna har ett stort inträngningsdjup finns mer energi kvar för uppvärmning av de inre delarna av objektet som skall värmas. Men om inträngningsdjupet är stort är risken för att stående vågor bildas också stor. Detta beror på att en del av den elektromagnetiska vågen reflekteras då den når en gränsyta mellan olika medier. Då den reflekterade vågen sammanlagras med den inkommande vågen bildas en stående våg. Om den infallande och den reflekterade vågen är i fas förstärker de varandra, men om de är i motfas motverkar de varandra. Lokala maxima och minima i effektutvecklingen uppstår då i materialet så att uppvärmningen blir ojämn.

Inträngningsdjupet är också beroende av ett ämnes konduktivitet. Dessutom har frekvensen stor betydelse för inträngningen. Om man jämför några vanliga frekvenser för värmning, 2450 MHz och 900 MHz, så är inträngningsdjupet nästan 3 gånger större för den senare frekvensen. Ju större våglängd desto större inträngningesdjup. Men samtidigt ökar risken för att stående vågor uppstår, vilket leder till ojämn uppvärmning. För att minska risken för ojämn uppvärmning kan man se till att produkten rör sig genom fältet. En annan möjlighet är att utsätta produkten för olika vågmönster, så att summan av de olika mönstren blir ganska jämnt även om de enskilda mönstren är ganska ojämna (s k multimode ugn).

Levande organismer påverkas av mikrovågor genom att de värms. Värmebehandling med mikrovågor, diatermi, är en välkänd medicinsk teknik som används både för djur och människor.

Precis som livsmedel skulle mänsklig vävnad som blev utsatt för mikrovågor absorbera energin och omvandla en del till värme. Vid frekvenser under 1 GHz skulle värmningen ske inne i kroppen, medan frekvenser över 3000 MHz främst skulle värma huden. Mellan 1000-3000 MHz, d v s där frekvensen 2450 MHz ligger, är situationen mer komplicerad. (Det är denna frekvens som man använder i vissa babyvakter.) Det är vävnadssammansättningen, bl a mängden underhudsfett, som kommer att avgöra hur uppvärmningen kommer att ske.

Om kroppstemperaturen stiger mer än 5-10 °C så kommer irreversibla förändringar av vävnader att ske. Vävnaden är inte homogen men i genomsnitt är värmeavgivningen från människokroppen under vila ca 100 W/m2 (värmestrålning IR frekvensområde kortare än 300 GHz). Man har tolkat detta som en tolerabel nivå för långtidsexponering. Vävnader med sämre blodförsörjning, d v s sämre värmetransport är känsligare. Speciellt känsliga områden är ögat och testiklarna. Naturligtvis har exponeringstiden en stor betydelse. Vid exponering på mindre än 6 sekunder anses dock att man kan tolerera mer än tiodubbla flödet.

I USA och Storbritannien är gränsen satt till 100 W/m2 medan det tidigare Sovjetunionen hade samma gräns som vi för korttidsexponering på under 20 minuter, men successivt sänker denna till 0,1 W/m2 vid exponeringar på över 2 timmar. Enligt SSM skall vi nu tåla 10 W/m2 kontinuerlig dos dygnet runt.

Man analyserade innehållet av proteiner etc och fann samband mellan innehållet av föreningar som var lösliga i eter och känsligheten för bestrålning med mikrovågor. Det visade sig också finnas ett samband mellan massan och volymen på fröna och deras känslighet mot mikrovågor. Men det verkade som om densiteten hade liten betydelse. Författarna ansåg sig inte kunna förklara varför stora frön var mer känsliga än mindre som var tätt packade och hade samma totalvikt som de stora fröna.

I fortsatta studier blandades frön med tre olika jordtyper. Resultatet varierade beroende av arter, jordtyp, temperatur och vattenhalt i jorden. Men generellt sett krävdes kortare behandlingstid i jord med högre vattenhalt för att minska groningen i motsvarande grad. Om strålningsenergin och exponeringstiden varierades så att produkten av intensitet och tid hölls konstant, så visade det sig att den högre effektnivån (1.5 kW) var betydligt mer effektiv än behandling med lägre nivå under en längre tid.

Att det krävdes mindre energi för att skada ogräsfrön i en jord med högre vattenhalt beror troligen på en större temperaturhöjning. Upphettning av jorden är generellt beroende av vattenhalten. Frön som behandlades i en lerjord var känsligare än frön som behandlats i sandjord. Det fanns också skillnader mellan de olika jordarna. Sandjordar tar inte upp energi från mikrovågsstrålning så lätt, framför allt på grund av lägre fältkapacitet och att de innehåller mycket kiselföreningar.

http://www.vaxteko.nu/html/sll/slu/rapport_lantbruksteknik/RLT171/RLT171.HTM

Annonser