Noii senzori de sol ar putea îmbunătăți eficiența fertilizării culturilor

Îngrășămintele care conțin azot sunt utilizate pentru a crește producția alimentară, dar emisiile lor pot polua mediul. Pentru maximizarea utilizării resurselor, creșterea randamentelor agricole și reducerea riscurilor de mediu, monitorizarea continuă și în timp real a proprietăților solului, cum ar fi temperatura solului și emisiile de îngrășăminte, este esențială. Un senzor multiparametru este necesar pentru agricultura inteligentă sau de precizie pentru a urmări emisiile de gaze NOX și temperatura solului pentru cea mai bună fertilizare.

James L. Henderson, Jr., profesor asociat de științe inginerești și mecanică la Penn State, Huanyu „Larry” Cheng a condus dezvoltarea unui senzor multiparametric care separă cu succes semnalele de temperatură și cele de azot pentru a permite măsurarea precisă a fiecăruia.

Cheng a spus,„Pentru o fertilizare eficientă, este nevoie de o monitorizare continuă și în timp real a condițiilor solului, în special a utilizării azotului și a temperaturii solului. Acest lucru este esențial pentru evaluarea sănătății culturilor, reducerea poluării mediului și promovarea unei agriculturi durabile și de precizie.”

Studiul își propune să utilizeze cantitatea potrivită pentru obținerea celui mai bun randament al culturilor. Producția culturii poate fi mai mică decât ar putea fi dacă se folosește mai mult azot. Atunci când îngrășămintele sunt aplicate excesiv, acestea se irosesc, plantele pot arde, iar vaporii toxici de azot sunt eliberați în mediu. Fermierii pot atinge nivelurile ideale de îngrășământ pentru creșterea plantelor cu ajutorul detectării precise a nivelului de azot.

Coautorul Li Yang, profesor la Școala de Inteligență Artificială de la Universitatea de Tehnologie Hebei din China, a declarat:„Creșterea plantelor este influențată și de temperatură, care influențează procesele fizice, chimice și microbiologice din sol. Monitorizarea continuă permite fermierilor să dezvolte strategii și intervenții atunci când temperaturile sunt prea ridicate sau prea scăzute pentru culturile lor.”

Potrivit lui Cheng, mecanismele de detectare care pot obține măsurători ale azotului gazos și ale temperaturii independente unele de altele sunt rareori raportate. Atât gazele, cât și temperatura pot provoca variații ale citirii rezistenței senzorului, ceea ce face dificilă distingerea între ele.

Echipa lui Cheng a creat un senzor de înaltă performanță care poate detecta pierderile de azot independent de temperatura solului. Senzorul este fabricat din spumă de grafen indusă prin laser, dopată cu oxid de vanadiu, iar s-a descoperit că complexele metalice dopante din grafen îmbunătățesc adsorbția gazelor și sensibilitatea detecției.

Deoarece o membrană moale protejează senzorul și previne pătrunderea azotului gazos, senzorul reacționează exclusiv la schimbările de temperatură. Senzorul poate fi utilizat și fără încapsulare și la o temperatură mai ridicată.

Acest lucru permite măsurarea precisă a azotului gazos prin excluderea efectelor umidității relative și a temperaturii solului. Temperatura și azotul gazos pot fi complet și fără interferențe decuplate folosind senzorii încapsulați și neîncapsulați.

Cercetătorul a declarat că decuplarea schimbărilor de temperatură și a emisiilor de azot gazos ar putea fi utilizată pentru a crea și implementa dispozitive multimodale cu mecanisme de detectare decuplate pentru agricultura de precizie în toate condițiile meteorologice.

Cheng a spus: „Capacitatea de a detecta simultan concentrații ultra-scăzute de oxizi de azot și mici schimbări de temperatură deschide calea pentru dezvoltarea viitoarelor dispozitive electronice multimodale cu mecanisme de detectare decuplate pentru agricultura de precizie, monitorizarea sănătății și alte aplicații.”

Cercetarea lui Cheng a fost finanțată de Institutele Naționale de Sănătate, Fundația Națională pentru Știință, Penn State și Fundația Națională de Științe Naturale din China.