Painetut maaperäanturit voisivat auttaa maanviljelijöitä parantamaan satoja ja leikkaamaan kustannuksia

Wisconsin-Madisonin yliopiston insinöörit ovat luoneet edullisia antureita maaperän nitraattipitoisuuksien seuraamiseen reaaliajassa Wisconsinissa yleisissä maaperätyypeissä. Nämä painetut sähkökemialliset anturit voivat auttaa maanviljelijöitä tekemään älykkäämpiä päätöksiä lannoituksesta ja mahdollisesti säästämään rahaa.

“Anturimme voivat antaa maanviljelijöille selkeämmän kuvan maaperän ravinnetasoista ja siitä, kuinka paljon nitraattia on käytettävissä viljelykasveille. Näiden tietojen avulla he voivat tehdä tarkkoja päätöksiä siitä, kuinka paljon lannoitetta tarvitaan”, sanoo Joseph Andrews, UW-Madisonin konetekniikan apulaisprofessori ja johtava tutkija. “Lannoitteiden käytön vähentäminen voi tarkoittaa merkittäviä kustannussäästöjä erityisesti suurille tiloille.”

Nitraatti on välttämätön viljelykasvien kasvulle, mutta liikaa sitä voi valua pohjaveteen, saastuttaa juomavettä ja vahingoittaa ympäristöä. Näitä uusia antureita voidaan käyttää myös työkaluina maataloustutkimuksessa, sillä ne voivat seurata nitraattivaluntaa ja ohjata parempia käytäntöjä saasteiden vähentämiseksi.

Perinteiset menetelmät maaperän nitraatin seurantaan ovat aikaa vieviä, kalliita eivätkä tarjoa välittömiä tuloksia. Tämän ratkaisemiseksi Andrews, painetun elektroniikan asiantuntija, ja hänen tiiminsä suunnittelivat nämä anturit yksinkertaisemmaksi ja taloudellisemmaksi vaihtoehdoksi.

Tässä projektissa tutkijat käyttivät mustesuihkutulostusmenetelmää potentiometristen antureiden valmistukseen. Potentiometriset anturit ovat eräänlaisia ohutkalvoantureita, jotka käyttävät sähkökemiallisia reaktioita. Näitä antureita käytetään tyypillisesti nestemäisten liuosten nitraattipitoisuuksien tarkkaan mittaamiseen. Ne eivät kuitenkaan yleensä toimi hyvin maaperässä, koska karkeat maaperän hiukkaset voivat naarmuttaa antureita ja vaikuttaa tarkkoihin lukemiin.

Andrews selittää: “Päätavoitteenamme oli saada nämä sähkökemialliset anturit toimimaan tehokkaasti haastavissa maaperäolosuhteissa ja havaitsemaan nitraatti-ioneja tarkasti.”

Ratkaistakseen tämän tiimi lisäsi anturin päälle suojakerroksen käyttämällä polyvinyylideenifluoridia. Andrewsin mukaan tällä materiaalilla on kaksi tärkeää ominaisuutta. Ensinnäkin siinä on erittäin pienet huokoset, noin 400 nanometriä, jotka päästävät nitraatti-ionit läpi, mutta pitävät maapartikkelit loitolla. Toiseksi se on hydrofiilinen, mikä tarkoittaa, että se vetää puoleensa vettä kuin sieni.

Andrews sanoo: “Tämä tarkoittaa, että anturimme imee kaiken nitraatteja sisältävän veden, mikä on ratkaisevan tärkeää, koska maaperä imee myös vettä. Ilman tätä anturin olisi vaikea saada tarpeeksi kosteutta, mutta koska materiaalimme vastaa maaperän vedenimeytymistä, se auttaa vetämään nitraattipitoista vettä anturin pinnalle tarkkojen lukemien saamiseksi.”

Tutkijat jakoivat edistymisensä maaliskuussa 2024 Advanced Material Technologies -lehdessä julkaistussa artikkelissa.

Tiimi testasi antureitaan kahdessa Wisconsinissa esiintyvässä maaperätyypissä: hiekkamaassa, joka on yleinen pohjois-keskisillä alueilla, ja silttimaassa, jota esiintyy Lounais-Wisconsinissa. He havaitsivat, että anturit antoivat tarkkoja tuloksia molemmissa tyypeissä.

Tutkijat lisäävät nyt nitraattisensoreitaan järjestelmään, jota he kutsuvat "anturitarraksi". Tämä järjestelmä yhdistää kolme erilaista sensoria – nitraateille, kosteudelle ja lämpötilalle – joustavalle muovilevylle, jonka takana on liimapinta.

He aikovat asettaa useita tällaisia tunnistustarroja sauvaan eri korkeuksille ja sitten haudata sauvan maaperään. Tämän järjestelyn avulla he voivat mitata olosuhteita eri syvyyksissä maaperässä.

Andrews selittää: “Mittaamalla nitraattia, kosteutta ja lämpötilaa eri maaperän syvyyksillä voimme nyt seurata nitraatin huuhtoutumisprosessia ja tarkkailla, miten nitraatti liikkuu maaperässä, mitä emme voineet tehdä aiemmin.”

Kesällä 2024 tutkijat jatkavat antureidensa testaamista sijoittamalla 30 anturisauvaa maaperään UW-Madisonin Hancockin ja Arlingtonin maataloustutkimusasemilla.

Tiimi työskentelee tämän teknologian patentoimiseksi Wisconsin Alumni Research Foundationin kautta.

UW-Madisonin yliopiston kirjoittajiin kuuluvat Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai ja maaperätieteiden laitoksen professori Jingyi Huang.

Tätä tutkimusta rahoittivat USDA:n maatalous- ja elintarviketutkimusaloitteen säätiöohjelma (projekti nro WIS04075), National Science Foundationin Signals in the Soil -apuraha 2226568 ja Wisconsinin yliopiston Madisonin meijerialan innovaatiokeskus.