Drukowane czujniki gleby mogą pomóc rolnikom zwiększyć plony i obniżyć koszty

Inżynierowie z Uniwersytetu Wisconsin–Madison stworzyli niedrogie czujniki do monitorowania poziomu azotanów w glebie w czasie rzeczywistym w typach gleb powszechnie występujących w stanie Wisconsin. Te drukowane czujniki elektrochemiczne mogą pomóc rolnikom podejmować trafniejsze decyzje dotyczące nawożenia, potencjalnie oszczędzając im pieniądze.

“Nasze czujniki dają rolnikom lepszy obraz poziomu składników odżywczych w glebie i dostępności azotanów dla upraw. Informacje te pozwalają im podejmować precyzyjne decyzje dotyczące ilości potrzebnego nawozu” – mówi Joseph Andrews, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Wisconsin-Madison i główny badacz. “Zmniejszenie zużycia nawozów może oznaczać znaczne oszczędności kosztów, szczególnie w dużych gospodarstwach rolnych”.”

Azotany są niezbędne dla wzrostu upraw, ale ich zbyt duża ilość może przedostawać się do wód gruntowych, zanieczyszczając wodę pitną i szkodząc środowisku. Te nowe czujniki mogą również służyć jako narzędzia w badaniach rolniczych, śledząc spływ azotanów i wskazując lepsze praktyki w celu ograniczenia zanieczyszczeń.

Tradycyjne metody monitorowania azotanów w glebie są czasochłonne, kosztowne i nie dają natychmiastowych rezultatów. Aby temu zaradzić, Andrews, ekspert w dziedzinie elektroniki drukowanej, wraz ze swoim zespołem zaprojektował te czujniki jako prostszą i bardziej ekonomiczną alternatywę.

W ramach tego projektu naukowcy wykorzystali metodę druku atramentowego do stworzenia czujników potencjometrycznych, czyli cienkowarstwowych czujników wykorzystujących reakcje elektrochemiczne. Czujniki te są zazwyczaj używane do dokładnego pomiaru poziomu azotanów w roztworach ciekłych. Zazwyczaj jednak nie sprawdzają się one dobrze w glebie, ponieważ szorstkie cząsteczki gleby mogą zarysować czujniki i wpłynąć na dokładność odczytów.

Andrews wyjaśnia: “Naszym głównym celem było sprawienie, aby te czujniki elektrochemiczne działały skutecznie w trudnych warunkach glebowych i dokładnie wykrywały jony azotanowe”.”

Aby rozwiązać ten problem, zespół dodał warstwę ochronną na czujnik, używając materiału o nazwie polifluorek winylidenu. Według Andrewsa, materiał ten ma dwie ważne cechy. Po pierwsze, ma niezwykle małe pory, około 400 nanometrów, które przepuszczają jony azotanowe, ale nie przepuszczają cząsteczek gleby. Po drugie, jest hydrofilowy, co oznacza, że przyciąga wodę jak gąbka.

Andrews mówi: “Oznacza to, że każda woda zawierająca azotany zostanie wchłonięta przez nasz czujnik, co jest kluczowe, ponieważ gleba również wchłania wodę. Bez tego czujnik miałby trudności z uzyskaniem wystarczającej ilości wilgoci, ale ponieważ nasz materiał jest taki sam jak gleba pod względem absorpcji wody, pomaga on przyciągać wodę bogatą w azotany do powierzchni czujnika, zapewniając dokładne odczyty”.”

Naukowcy podzielili się swoimi postępami w artykule opublikowanym w marcu 2024 r. w czasopiśmie Advanced Material Technologies.

Zespół przetestował swoje czujniki w dwóch rodzajach gleby występujących w Wisconsin: piaszczystej, powszechnej w północno-centralnej części kraju, oraz gliniasto-piaszczystej, występującej w południowo-zachodniej części stanu. Stwierdzono, że czujniki dawały dokładne wyniki w obu rodzajach gleby.

Teraz naukowcy dodają swoje czujniki azotanów do systemu, który nazywają “naklejką czujnikową”. System ten łączy trzy różne czujniki – azotanów, wilgoci i temperatury – na elastycznej folii plastikowej z klejem z tyłu.

Planują umieścić kilka takich naklejek na pręcie na różnych wysokościach, a następnie zakopać go w glebie. Taka konfiguracja pozwoli im mierzyć warunki na różnych głębokościach gleby.

Andrews wyjaśnia: “Poprzez pomiar stężenia azotanów, wilgotności i temperatury na różnych głębokościach gleby możemy teraz śledzić proces wypłukiwania azotanów i obserwować, w jaki sposób azotany przemieszczają się przez glebę, czego wcześniej nie mogliśmy robić”.”

Latem 2024 roku naukowcy będą kontynuować testowanie czujników, umieszczając 30 prętów czujnikowych w glebie na stacjach badawczych Hancock i Arlington Agricultural Research Stations należących do UW–Madison.

Zespół pracuje nad opatentowaniem tej technologii za pośrednictwem Wisconsin Alumni Research Foundation.

Współautorami z UW–Madison są Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai i profesor Jingyi Huang z Wydziału Gleboznawstwa.

Badania te były finansowane przez program podstawowy USDA Agriculture and Food Research Initiative (nr projektu WIS04075), grant Signals in the Soil przyznany przez National Science Foundation nr 2226568 oraz University of Wisconsin–Madison Dairy Innovation Hub.