Gedruckte Bodensensoren könnten Landwirten helfen, Ernteerträge zu steigern und Kosten zu senken

Ingenieure der Universität Wisconsin–Madison haben kostengünstige Sensoren entwickelt, die den Nitratgehalt von Böden in Wisconsin in Echtzeit überwachen können. Diese gedruckten elektrochemischen Sensoren können Landwirten helfen, fundiertere Entscheidungen über die Düngung zu treffen und dadurch möglicherweise Kosten zu sparen.

“Unsere Sensoren liefern Landwirten ein genaueres Bild vom Nährstoffgehalt ihrer Böden und der für die Pflanzen verfügbaren Nitratmenge. Mithilfe dieser Informationen können sie präzise Entscheidungen über den Düngemittelbedarf treffen”, erklärt Joseph Andrews, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der UW–Madison und Leiter der Forschungsgruppe. “Eine Reduzierung des Düngemitteleinsatzes kann insbesondere für große landwirtschaftliche Betriebe erhebliche Kosteneinsparungen bedeuten.”

Nitrat ist für das Pflanzenwachstum unerlässlich, doch zu viel davon kann ins Grundwasser sickern, das Trinkwasser verunreinigen und die Umwelt schädigen. Diese neuen Sensoren können auch in der Agrarforschung als Instrumente dienen, indem sie den Nitratabfluss überwachen und so zu besseren Praktiken zur Reduzierung der Verschmutzung beitragen.

Herkömmliche Methoden zur Überwachung des Nitratgehalts im Boden sind zeitaufwändig, kostspielig und liefern keine sofortigen Ergebnisse. Um dem entgegenzuwirken, entwickelte Andrews, ein Experte für gedruckte Elektronik, mit seinem Team diese Sensoren als einfachere und kostengünstigere Alternative.

Für dieses Projekt nutzten die Forscher ein Tintenstrahldruckverfahren zur Herstellung potentiometrischer Sensoren. Diese Dünnschichtsensoren basieren auf elektrochemischen Reaktionen und werden üblicherweise zur präzisen Messung von Nitratkonzentrationen in flüssigen Lösungen eingesetzt. Im Boden funktionieren sie jedoch meist nicht zuverlässig, da raue Bodenpartikel die Sensoren beschädigen und die Messgenauigkeit beeinträchtigen können.

Andrews erklärt: “Unser Hauptziel war es, diese elektrochemischen Sensoren so zu entwickeln, dass sie auch unter schwierigen Bodenbedingungen effektiv funktionieren und Nitrat-Ionen präzise nachweisen können.”

Um dieses Problem zu lösen, brachte das Team eine Schutzschicht aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) über dem Sensor an. Laut Andrews besitzt dieses Material zwei wichtige Eigenschaften: Erstens verfügt es über extrem kleine Poren mit einem Durchmesser von etwa 400 Nanometern, die Nitrat-Ionen durchlassen, aber Bodenpartikel zurückhalten. Zweitens ist es hydrophil, das heißt, es zieht Wasser wie ein Schwamm an.

Andrews erklärt: “Das bedeutet, dass jegliches nitrathaltige Wasser von unserem Sensor absorbiert wird, was entscheidend ist, da auch der Boden Wasser aufnimmt. Ohne diese Absorption wäre es für den Sensor schwierig, genügend Feuchtigkeit zu erhalten. Da unser Material jedoch der Wasseraufnahme des Bodens entspricht, trägt es dazu bei, nitratreiches Wasser an die Oberfläche des Sensors zu leiten und so genaue Messwerte zu ermöglichen.”

Die Forscher berichteten über ihre Fortschritte in einem Artikel, der im März 2024 in Advanced Material Technologies veröffentlicht wurde.

Das Team testete seine Sensoren in zwei in Wisconsin vorkommenden Bodentypen: sandigem Boden, der im nördlichen Zentralgebiet verbreitet ist, und schluffigem Lehmboden, der im Südwesten Wisconsins vorkommt. Sie stellten fest, dass die Sensoren in beiden Bodentypen genaue Ergebnisse lieferten.

Die Forscher integrieren ihre Nitratsensoren nun in ein System, das sie “Sensoraufkleber” nennen. Dieses System kombiniert drei verschiedene Sensoren – für Nitrat, Feuchtigkeit und Temperatur – auf einer flexiblen Kunststofffolie mit Klebstoff auf der Rückseite.

Sie planen, mehrere dieser Sensoraufkleber in unterschiedlichen Höhen an einem Stab anzubringen und diesen Stab anschließend in die Erde zu vergraben. Diese Anordnung ermöglicht es ihnen, die Bodenverhältnisse in verschiedenen Tiefen zu messen.

Andrews erklärt: “Durch die Messung von Nitrat, Feuchtigkeit und Temperatur in verschiedenen Bodentiefen können wir nun den Prozess der Nitratauswaschung verfolgen und beobachten, wie sich Nitrat durch den Boden bewegt – etwas, das uns vorher nicht möglich war.”

Im Sommer 2024 werden die Forscher ihre Sensoren weiter testen, indem sie 30 Sensorstäbe in den Boden der landwirtschaftlichen Forschungsstationen Hancock und Arlington der UW–Madison stecken.

Das Team arbeitet daran, diese Technologie über die Wisconsin Alumni Research Foundation patentieren zu lassen.

Zu den Co-Autoren von der UW–Madison gehören Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai und Professor Jingyi Huang vom Fachbereich Bodenkunde.

Diese Forschung wurde finanziert durch das USDA Agriculture and Food Research Initiative Foundational Program (Projektnummer WIS04075), den Signals in the Soil Grant 2226568 der National Science Foundation und den Dairy Innovation Hub der University of Wisconsin–Madison.