Des capteurs de sol imprimés pourraient aider les agriculteurs à augmenter le rendement de leurs cultures et à réduire leurs coûts

Des ingénieurs de l'Université du Wisconsin–Madison ont créé des capteurs abordables permettant de surveiller en temps réel les niveaux de nitrates dans les sols courants du Wisconsin. Ces capteurs électrochimiques imprimés peuvent aider les agriculteurs à prendre des décisions plus éclairées en matière de fertilisation, et ainsi potentiellement réaliser des économies.

“ Nos capteurs permettent aux agriculteurs d'avoir une vision plus précise de la teneur en nutriments de leurs sols et de la quantité de nitrate disponible pour les cultures. Ces informations leur permettent de prendre des décisions exactes quant à la quantité d'engrais nécessaire ”, explique Joseph Andrews, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Wisconsin-Madison et chercheur principal. “ Réduire l'utilisation d'engrais pourrait engendrer des économies substantielles, notamment pour les grandes exploitations. ”

Les nitrates sont essentiels à la croissance des cultures, mais en excès, ils peuvent s'infiltrer dans les nappes phréatiques, polluant ainsi l'eau potable et nuisant à l'environnement. Ces nouveaux capteurs peuvent également servir d'outils de recherche agricole, permettant de suivre le ruissellement des nitrates et de promouvoir de meilleures pratiques pour réduire la pollution.

Les méthodes traditionnelles de surveillance des nitrates dans les sols sont longues, coûteuses et ne donnent pas de résultats immédiats. Pour remédier à cela, Andrews, expert en électronique imprimée, et son équipe ont conçu ces capteurs comme une alternative plus simple et plus économique.

Pour ce projet, les chercheurs ont utilisé une méthode d'impression à jet d'encre afin de fabriquer des capteurs potentiométriques, un type de capteur à couche mince exploitant des réactions électrochimiques. Ces capteurs sont généralement utilisés pour mesurer avec précision les concentrations de nitrates dans les solutions liquides. Cependant, leur fonctionnement est généralement peu performant dans le sol, car les particules de sol rugueuses peuvent les rayer et fausser les mesures.

Andrews explique : “ Notre objectif principal était de faire en sorte que ces capteurs électrochimiques fonctionnent efficacement dans des conditions de sol difficiles et détectent avec précision les ions nitrate. ”

Pour résoudre ce problème, l'équipe a ajouté une couche protectrice au capteur à l'aide d'un matériau appelé fluorure de polyvinylidène. Selon Andrews, ce matériau possède deux qualités importantes. Premièrement, ses pores extrêmement petits, d'environ 400 nanomètres, laissent passer les ions nitrate tout en empêchant les particules de terre de pénétrer. Deuxièmement, il est hydrophile, c'est-à-dire qu'il attire l'eau comme une éponge.

Andrews explique : “ Cela signifie que toute eau contenant des nitrates sera absorbée par notre capteur, ce qui est crucial car le sol absorbe également l’eau. Sans cela, il serait difficile pour le capteur d’obtenir suffisamment d’humidité, mais comme notre matériau possède une capacité d’absorption d’eau similaire à celle du sol, il contribue à attirer l’eau riche en nitrates à la surface du capteur pour des mesures précises. ”

Les chercheurs ont partagé leurs progrès dans un article publié en mars 2024 dans la revue Advanced Material Technologies.

L'équipe a testé ses capteurs sur deux types de sols présents dans le Wisconsin : des sols sableux, courants dans le centre-nord de l'État, et des sols limoneux, que l'on trouve dans le sud-ouest. Les résultats obtenus avec les capteurs se sont avérés précis dans les deux types de sols.

Les chercheurs intègrent désormais leurs capteurs de nitrate à un système qu'ils appellent “ autocollant de détection ”. Ce système combine trois capteurs différents — pour les nitrates, l'humidité et la température — sur une feuille de plastique flexible avec un adhésif au dos.

Ils prévoient de fixer plusieurs de ces capteurs adhésifs sur une tige à différentes hauteurs, puis d'enterrer la tige dans le sol. Ce dispositif leur permettra de mesurer les conditions à différentes profondeurs du sol.

Andrews explique : “ En mesurant les nitrates, l'humidité et la température à différentes profondeurs du sol, nous pouvons désormais suivre le processus de lessivage des nitrates et observer comment les nitrates se déplacent dans le sol, ce que nous ne pouvions pas faire auparavant. ”

Durant l'été 2024, les chercheurs poursuivront les tests de leurs capteurs en plaçant 30 tiges de capteurs dans le sol des stations de recherche agricole Hancock et Arlington de l'Université du Wisconsin-Madison.

L'équipe travaille à breveter cette technologie par le biais de la Wisconsin Alumni Research Foundation.

Parmi les coauteurs de l'Université du Wisconsin-Madison figurent Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai et le professeur Jingyi Huang du département des sciences du sol.

Ces recherches ont été financées par le programme de recherche fondamentale de l'USDA sur l'agriculture et l'alimentation (projet n° WIS04075), la subvention Signals in the Soil 2226568 de la National Science Foundation et le Dairy Innovation Hub de l'Université du Wisconsin–Madison.