Senzorii de sol imprimați ar putea ajuta fermierii să crească randamentul culturilor și să reducă costurile

Inginerii de la Universitatea din Wisconsin-Madison au creat senzori accesibili pentru a monitoriza nivelurile de nitrați din sol în timp real, pentru tipurile de sol comune în Wisconsin. Acești senzori electrochimici imprimați pot ajuta fermierii să ia decizii mai inteligente cu privire la fertilizare, economisindu-le potențial bani.

“Senzorii noștri pot oferi fermierilor o imagine mai clară asupra nivelurilor de nutrienți din sol și a cantității de nitrați disponibile pentru culturi. Aceste informații le permit să ia decizii precise cu privire la cantitatea de îngrășământ necesară”, spune Joseph Andrews, profesor asistent de inginerie mecanică la UW-Madison și cercetător principal. “Reducerea utilizării îngrășămintelor ar putea însemna economii semnificative de costuri, în special pentru fermele mari.”

Nitrații sunt esențiali pentru creșterea culturilor, dar o cantitate prea mare de nitrați se poate infiltra în apele subterane, poluând apa potabilă și dăunând mediului. Acești noi senzori pot servi, de asemenea, ca instrumente în cercetarea agricolă, urmărind scurgerile de nitrați și ghidând practici mai bune pentru reducerea poluării.

Metodele tradiționale de monitorizare a nitraților din sol necesită mult timp, sunt costisitoare și nu oferă rezultate imediate. Pentru a rezolva această problemă, Andrews, expert în electronică imprimată, și echipa sa au conceput acești senzori ca o alternativă mai simplă și mai economică.

Pentru acest proiect, cercetătorii au folosit o metodă de imprimare cu jet de cerneală pentru a realiza senzori potențiometrici, care sunt un tip de senzor cu peliculă subțire ce utilizează reacții electrochimice. Acești senzori sunt de obicei utilizați pentru a măsura cu precizie nivelurile de nitrați din soluțiile lichide. Cu toate acestea, de obicei nu funcționează bine în sol, deoarece particulele rugoase ale solului pot zgâria senzorii și pot afecta precizia citirilor.

Andrews explică: “Scopul nostru principal a fost să facem ca acești senzori electrochimici să funcționeze eficient în condiții dificile de sol și să detecteze cu precizie ionii de nitrați.”

Pentru a rezolva această problemă, echipa a adăugat un strat protector peste senzor folosind un material numit fluorură de poliviniliden. Potrivit lui Andrews, acest material are două calități importante. În primul rând, are pori extrem de mici, de aproximativ 400 de nanometri, care permit trecerea ionilor de nitrați, dar țin particulele de sol afară. În al doilea rând, este hidrofil, ceea ce înseamnă că atrage apa ca un burete.

Andrews spune: “Aceasta înseamnă că orice apă care conține nitrați va fi absorbită de senzorul nostru, ceea ce este crucial deoarece și solul absoarbe apa. Fără aceasta, senzorului i-ar fi greu să obțină suficientă umiditate, dar, deoarece materialul nostru se potrivește cu absorbția de apă a solului, acesta ajută la atragerea apei bogate în nitrați la suprafața senzorului pentru citiri precise.”

Cercetătorii și-au împărtășit progresul într-o lucrare publicată în martie 2024 în Advanced Material Technologies.

Echipa și-a testat senzorii în două tipuri de sol găsite în Wisconsin: sol nisipos, care este comun în zona central-nordică, și sol lut-lutos, care se găsește în sud-vestul statului Wisconsin. Ei au descoperit că senzorii au dat rezultate precise în ambele tipuri.

Acum, cercetătorii adaugă senzorii lor de nitrați la un sistem pe care îl numesc “autocolant de detectare”. Acest sistem combină trei senzori diferiți - pentru nitrați, umiditate și temperatură - pe o folie flexibilă de plastic cu adeziv pe spate.

Ei intenționează să plaseze mai multe dintre aceste autocolante de detectare pe o tijă la diferite înălțimi, apoi să îngroape tija în sol. Această configurație le va permite să măsoare condițiile la diferite adâncimi în sol.

Andrews explică: “Prin măsurarea nitraților, umidității și temperaturii la diferite adâncimi ale solului, putem acum urmări procesul de levigare a nitraților și observa cum se deplasează nitrații prin sol, lucru pe care nu l-am putut face înainte.”

În vara anului 2024, cercetătorii vor continua testarea senzorilor lor prin plasarea a 30 de tije senzoriale în sol la stațiile de cercetare agricolă Hancock și Arlington ale UW-Madison.

Echipa lucrează la brevetarea acestei tehnologii prin intermediul Fundației de Cercetare a Absolvenților din Wisconsin.

Printre co-autorii de la UW–Madison se numără Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai și profesorul Jingyi Huang de la Departamentul de Știința Solului.

Această cercetare a fost finanțată de Programul Fundațional al Inițiativei de Cercetare Agricolă și Alimentară al USDA (proiectul nr. WIS04075), grantul 2226568 al Fundației Naționale pentru Știință și de Centrul de Inovare în Domeniul Lactatelor al Universității din Wisconsin-Madison.