Drukātie augsnes sensori varētu palīdzēt lauksaimniekiem palielināt ražas un samazināt izmaksas

Viskonsinas-Medisonas Universitātes inženieri ir izveidojuši pieejamus sensorus, lai reāllaikā uzraudzītu augsnes nitrātu līmeni augsnes tipos, kas ir izplatīti Viskonsīnā. Šie drukātie elektroķīmiskie sensori var palīdzēt lauksaimniekiem pieņemt gudrākus lēmumus par mēslošanu, potenciāli ietaupot viņiem naudu.

“Mūsu sensori var sniegt lauksaimniekiem skaidrāku priekšstatu par augsnes barības vielu līmeni un to, cik daudz nitrātu ir pieejams kultūraugiem. Šī informācija ļauj viņiem pieņemt precīzus lēmumus par to, cik daudz mēslojuma ir nepieciešams,” saka Džozefs Endrjūss, Viskonsinas-Medisonas Universitātes mašīnbūves docents un vadošais pētnieks. “Mēslojuma lietošanas samazināšana varētu nozīmēt ievērojamus izmaksu ietaupījumus, īpaši lielām saimniecībām.”

Nitrāts ir svarīgs kultūraugu augšanai, taču pārāk daudz tā var iesūkties gruntsūdeņos, piesārņojot dzeramo ūdeni un kaitējot videi. Šie jaunie sensori var kalpot arī kā instrumenti lauksaimniecības pētījumos, izsekojot nitrātu noteci un vadot labāku praksi piesārņojuma samazināšanai.

Tradicionālās augsnes nitrātu monitoringa metodes ir laikietilpīgas, dārgas un nesniedz tūlītējus rezultātus. Lai to risinātu, Endrjūss, drukātās elektronikas eksperts, un viņa komanda izstrādāja šos sensorus kā vienkāršāku un ekonomiskāku alternatīvu.

Šajā projektā pētnieki izmantoja tintes printera drukas metodi, lai izgatavotu potenciometriskus sensorus, kas ir sava veida plānslāņa sensori, kuros tiek izmantotas elektroķīmiskās reakcijas. Šos sensorus parasti izmanto, lai precīzi mērītu nitrātu līmeni šķidros šķīdumos. Tomēr tie parasti nedarbojas labi augsnē, jo raupjas augsnes daļiņas var saskrāpēt sensorus un ietekmēt precīzus rādījumus.

Endrjūss skaidro: “Mūsu galvenais mērķis bija panākt, lai šie elektroķīmiskie sensori efektīvi darbotos sarežģītos augsnes apstākļos un precīzi noteiktu nitrātu jonus.”

Lai to atrisinātu, komanda virs sensora uzklāja aizsargslāni, izmantojot materiālu, ko sauc par polivinilidēnfluorīdu. Pēc Endrjūsa teiktā, šim materiālam ir divas svarīgas īpašības. Pirmkārt, tam ir ārkārtīgi mazas poras, aptuveni 400 nanometri, kas laiž cauri nitrātu jonus, bet neļauj iekļūt augsnes daļiņām. Otrkārt, tas ir hidrofils, kas nozīmē, ka tas piesaista ūdeni kā sūklis.

Endrjūss saka: “Tas nozīmē, ka mūsu sensors absorbēs jebkuru ūdeni, kas satur nitrātus, kas ir ļoti svarīgi, jo arī augsne absorbē ūdeni. Bez tā sensoram būtu grūti iegūt pietiekami daudz mitruma, bet, tā kā mūsu materiāls atbilst augsnes ūdens absorbcijai, tas palīdz piesaistīt nitrātiem bagātu ūdeni sensora virsmai, lai iegūtu precīzus rādījumus.”

Pētnieki dalījās savā progresā rakstā, kas publicēts 2024. gada martā žurnālā "Advanced Material Technologies".

Komanda testēja savus sensorus divu veidu augsnēs, kas sastopamas Viskonsīnā: smilšainā augsnē, kas ir izplatīta ziemeļu centrālajā daļā, un māla augsnē, kas atrodama Viskonsīnas dienvidrietumos. Viņi atklāja, ka sensori sniedza precīzus rezultātus abos veidos.

Tagad pētnieki pievieno savus nitrātu sensorus sistēmai, ko viņi sauc par “sensoru uzlīmi”. Šī sistēma apvieno trīs dažādus sensorus — nitrātiem, mitrumam un temperatūrai — uz elastīgas plastmasas loksnes ar līmi aizmugurē.

Viņi plāno novietot vairākas no šīm sensoru uzlīmēm uz stieņa dažādos augstumos un pēc tam ierakt stieni augsnē. Šī iekārta ļaus viņiem izmērīt apstākļus dažādos augsnes dziļumos.

Endrjūss skaidro: “Mērot nitrātus, mitrumu un temperatūru dažādos augsnes dziļumos, mēs tagad varam izsekot nitrātu izskalošanās procesam un novērot, kā nitrāti pārvietojas augsnē, ko mēs iepriekš nevarējām izdarīt.”

2024. gada vasarā pētnieki turpinās testēt savus sensorus, ievietojot 30 sensoru stieņus augsnē Viskonsinas-Medisonas Universitātes Hancockas un Ārlingtonas Lauksaimniecības pētniecības stacijās.

Komanda strādā pie šīs tehnoloģijas patentēšanas, izmantojot Viskonsinas Absolventu pētniecības fondu.

Viskonsinas-Medisonas Universitātes līdzautori ir Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai un profesors Jingyi Huang no Augsnes zinātnes katedras.

Šo pētījumu finansēja USDA Lauksaimniecības un pārtikas pētniecības iniciatīvas pamatprogramma (projekta Nr. WIS04075), Nacionālā zinātnes fonda dotācija “Signāli augsnē” 2226568 un Viskonsinas Universitātes Medisonas piena inovāciju centrs.