Trükitud mullasensorid võivad aidata põllumeestel suurendada saagikust ja vähendada kulusid

Wisconsini-Madisoni Ülikooli insenerid on loonud taskukohased andurid, mis jälgivad Wisconsinis levinud mullatüüpide nitraadisisaldust reaalajas. Need trükitud elektrokeemilised andurid aitavad põllumeestel väetamise osas targemaid otsuseid teha, mis võib neile raha kokku hoida.

“Meie andurid annavad põllumeestele selgema pildi mulla toitainete tasemest ja sellest, kui palju nitraati on põllukultuuridele saadaval. See teave võimaldab neil teha täpseid otsuseid selle kohta, kui palju väetist on vaja,” ütleb Joseph Andrews, UW-Madisoni masinaehituse dotsent ja juhtivteadur. “Väetiste kasutamise vähendamine võib tähendada märkimisväärset kulude kokkuhoidu, eriti suurtele taludele.”

Nitraat on põllukultuuride kasvuks hädavajalik, kuid liiga suur osa sellest võib imbuda põhjavette, saastades joogivett ja kahjustades keskkonda. Need uued andurid võivad olla ka tööriistadeks põllumajandusuuringutes, jälgides nitraatide äravoolu ja suunates paremaid tavasid reostuse vähendamiseks.

Traditsioonilised meetodid pinnase nitraadisisalduse jälgimiseks on aeganõudvad, kulukad ja ei anna koheseid tulemusi. Selle probleemi lahendamiseks kavandas trükitud elektroonika ekspert Andrews ja tema meeskond need andurid lihtsama ja säästlikuma alternatiivina.

Selle projekti jaoks kasutasid teadlased potentsiomeetriliste andurite valmistamiseks tindiprinteri meetodit. Need on omamoodi õhukese kilega andurid, mis kasutavad elektrokeemilisi reaktsioone. Neid andureid kasutatakse tavaliselt vedellahustes nitraaditaseme täpseks mõõtmiseks. Kuid need ei tööta tavaliselt hästi pinnases, kuna karedad pinnaseosakesed võivad andureid kriimustada ja täpseid näite mõjutada.

Andrews selgitab: “Meie peamine eesmärk oli panna need elektrokeemilised andurid tõhusalt tööle keerulistes pinnasetingimustes ja tuvastama täpselt nitraatioone.”

Selle probleemi lahendamiseks lisas meeskond sensorile kaitsekihi, kasutades materjali nimega polüvinülideenfluoriid. Andrewsi sõnul on sellel materjalil kaks olulist omadust. Esiteks on sellel äärmiselt väikesed poorid, umbes 400 nanomeetrit, mis lasevad nitraadiioonid läbi, kuid hoiavad mullaosakesed eemal. Teiseks on see hüdrofiilne, mis tähendab, et see tõmbab vett ligi nagu käsn.

Andrews ütleb: “See tähendab, et meie andur neelab kogu nitraate sisaldava vee, mis on ülioluline, sest ka pinnas imab vett. Ilma selleta oleks anduril raske piisavalt niiskust saada, aga kuna meie materjal vastab pinnase veeimavusele, aitab see nitraadirikast vett anduri pinnale tõmmata, et saada täpseid näite.”

Teadlased jagasid oma edusamme 2024. aasta märtsis ajakirjas Advanced Material Technologies avaldatud artiklis.

Meeskond testis oma andureid kahes Wisconsinis leiduva pinnasetüübis: liivases pinnases, mis on levinud põhja-keskosas, ja saviliivmullas, mida leidub Wisconsini edelaosas. Nad leidsid, et andurid andsid mõlemas tüübis täpseid tulemusi.

Nüüd lisavad teadlased oma nitraadisensorid süsteemile, mida nad nimetavad "sensorkleebiseks". See süsteem ühendab kolm erinevat sensorit – nitraatide, niiskuse ja temperatuuri jaoks – painduval plastlehel, mille tagaküljel on liim.

Nad plaanivad paigutada mitu sellist sensorkleebist vardale erinevatel kõrgustel ja seejärel varda pinnasesse matta. See seadistus võimaldab neil mõõta tingimusi pinnases erinevatel sügavustel.

Andrews selgitab: “Mõõtes nitraati, niiskust ja temperatuuri erinevatel mulla sügavustel, saame nüüd jälgida nitraadi leostumise protsessi ja vaadelda, kuidas nitraat mullas liigub, mida me varem teha ei saanud.”

2024. aasta suvel jätkavad teadlased oma andurite testimist, paigutades UW-Madisoni Hancocki ja Arlingtoni põllumajandusuuringute jaamades pinnasesse 30 andurivarda.

Meeskond töötab selle tehnoloogia patenteerimise nimel Wisconsini vilistlasuuringute fondi kaudu.

UW-Madisoni kaasautorite hulka kuuluvad Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai ja mullateaduse osakonna professor Jingyi Huang.

Seda uuringut rahastasid USDA põllumajandus- ja toiduuuringute algatuse sihtprogramm (projekti nr WIS04075), Riikliku Teadusfondi toetus „Signaalid pinnases“ 2226568 ja Wisconsini Ülikooli Madisoni piimatööstuse innovatsioonikeskus.