Sensores de solo impressos podem ajudar os agricultores a aumentar a produtividade das colheitas e reduzir custos.

Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison criaram sensores acessíveis para monitorar os níveis de nitrato no solo em tempo real, em tipos de solo comuns em Wisconsin. Esses sensores eletroquímicos impressos podem ajudar os agricultores a tomar decisões mais inteligentes sobre fertilização, potencialmente economizando dinheiro.

“Nossos sensores podem fornecer aos agricultores uma visão mais clara dos níveis de nutrientes do solo e da quantidade de nitrato disponível para as plantações. Essas informações permitem que eles tomem decisões precisas sobre a quantidade de fertilizante necessária”, afirma Joseph Andrews, professor assistente de engenharia mecânica da Universidade de Wisconsin-Madison e pesquisador principal. “Reduzir o uso de fertilizantes pode significar uma economia significativa, especialmente para grandes propriedades rurais.”

O nitrato é essencial para o crescimento das culturas, mas em excesso pode infiltrar-se no lençol freático, poluindo a água potável e prejudicando o meio ambiente. Esses novos sensores também podem servir como ferramentas na pesquisa agrícola, monitorando o escoamento de nitrato e orientando melhores práticas para reduzir a poluição.

Os métodos tradicionais para monitorar o nitrato no solo são demorados, caros e não oferecem resultados imediatos. Para solucionar esse problema, Andrews, especialista em eletrônica impressa, e sua equipe desenvolveram esses sensores como uma alternativa mais simples e econômica.

Para este projeto, os pesquisadores utilizaram um método de impressão a jato de tinta para fabricar sensores potenciométricos, um tipo de sensor de película fina que utiliza reações eletroquímicas. Esses sensores são normalmente usados para medir com precisão os níveis de nitrato em soluções líquidas. No entanto, eles geralmente não funcionam bem no solo, pois partículas ásperas do solo podem arranhar os sensores e afetar a precisão das leituras.

Andrews explica: "Nosso principal objetivo era fazer com que esses sensores eletroquímicos funcionassem de forma eficaz em condições de solo desafiadoras e detectassem íons de nitrato com precisão."“

Para resolver esse problema, a equipe adicionou uma camada protetora sobre o sensor usando um material chamado fluoreto de polivinilideno. De acordo com Andrews, esse material possui duas qualidades importantes. Primeiro, ele tem poros extremamente pequenos, em torno de 400 nanômetros, que permitem a passagem de íons nitrato, mas impedem a entrada de partículas de solo. Segundo, ele é hidrofílico, ou seja, atrai água como uma esponja.

Andrews afirma: “Isso significa que qualquer água contendo nitratos será absorvida pelo nosso sensor, o que é crucial porque o solo também absorve água. Sem isso, seria difícil para o sensor obter umidade suficiente, mas como nosso material corresponde à capacidade de absorção de água do solo, ele ajuda a atrair água rica em nitratos para a superfície do sensor, permitindo leituras precisas.”

Os pesquisadores compartilharam seus avanços em um artigo publicado em março de 2024 na revista Advanced Material Technologies.

A equipe testou seus sensores em dois tipos de solo encontrados em Wisconsin: solo arenoso, comum na região centro-norte, e solo franco-limoso, encontrado no sudoeste do estado. Eles descobriram que os sensores forneceram resultados precisos em ambos os tipos de solo.

Agora, os pesquisadores estão adicionando seus sensores de nitrato a um sistema que chamam de "adesivo sensor". Esse sistema combina três sensores diferentes — para nitratos, umidade e temperatura — em uma folha de plástico flexível com adesivo na parte de trás.

Eles planejam colocar vários desses adesivos sensores em uma haste em diferentes alturas e, em seguida, enterrar a haste no solo. Essa configuração permitirá que eles meçam as condições em diferentes profundidades do solo.

Andrews explica: "Ao medir nitrato, umidade e temperatura em várias profundidades do solo, agora podemos rastrear o processo de lixiviação de nitrato e observar como o nitrato se move pelo solo, algo que não podíamos fazer antes."“

No verão de 2024, os pesquisadores continuarão testando seus sensores, instalando 30 hastes sensoras no solo nas Estações de Pesquisa Agrícola de Hancock e Arlington da UW–Madison.

A equipe está trabalhando para patentear essa tecnologia por meio da Wisconsin Alumni Research Foundation.

Os coautores da UW–Madison incluem Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai e o professor Jingyi Huang, do Departamento de Ciência do Solo.

Esta pesquisa foi financiada pelo Programa Fundamental da Iniciativa de Pesquisa Agrícola e Alimentar do USDA (projeto nº WIS04075), pela bolsa Signals in the Soil da Fundação Nacional de Ciência (NSF) nº 2226568 e pelo Centro de Inovação em Laticínios da Universidade de Wisconsin-Madison.