Vytlačené pôdne senzory by mohli pomôcť farmárom zvýšiť výnosy plodín a znížiť náklady

Inžinieri z University of Wisconsin-Madison vytvorili cenovo dostupné senzory na monitorovanie hladiny dusičnanov v pôde v reálnom čase pre typy pôdy bežné vo Wisconsine. Tieto tlačené elektrochemické senzory môžu pomôcť farmárom robiť inteligentnejšie rozhodnutia o hnojení, čo im potenciálne ušetrí peniaze.

“Naše senzory môžu poskytnúť farmárom jasnejší obraz o úrovni živín v ich pôde a o tom, koľko dusičnanov je k dispozícii pre plodiny. Tieto informácie im umožňujú robiť presné rozhodnutia o tom, koľko hnojiva je potrebné,” hovorí Joseph Andrews, docent strojárstva na UW-Madison a vedúci výskumník. “Zníženie používania hnojív by mohlo znamenať významné úspory nákladov, najmä pre veľké farmy.”

Dusičnany sú nevyhnutné pre rast plodín, ale ich priveľa môže preniknúť do podzemných vôd, znečistiť pitnú vodu a poškodiť životné prostredie. Tieto nové senzory môžu slúžiť aj ako nástroje v poľnohospodárskom výskume, sledovať odtok dusičnanov a usmerňovať lepšie postupy na zníženie znečistenia.

Tradičné metódy monitorovania dusičnanov v pôde sú časovo náročné, nákladné a neponúkajú okamžité výsledky. Aby sa tento problém vyriešil, Andrews, odborník na tlačenú elektroniku, a jeho tím navrhli tieto senzory ako jednoduchšiu a ekonomickejšiu alternatívu.

V tomto projekte výskumníci použili metódu atramentovej tlače na výrobu potenciometrických senzorov, čo je druh tenkovrstvového senzora, ktorý využíva elektrochemické reakcie. Tieto senzory sa zvyčajne používajú na presné meranie hladiny dusičnanov v kvapalných roztokoch. V pôde však zvyčajne nefungujú dobre, pretože hrubé častice pôdy môžu senzory poškriabať a ovplyvniť presnosť údajov.

Andrews vysvetľuje: “Naším hlavným cieľom bolo, aby tieto elektrochemické senzory fungovali efektívne v náročných pôdnych podmienkach a presne detekovali dusičnanové ióny.”

Aby sa tento problém vyriešil, tím pridal na senzor ochrannú vrstvu z materiálu nazývaného polyvinylidénfluorid. Podľa Andrewsa má tento materiál dve dôležité vlastnosti. Po prvé, má extrémne malé póry, okolo 400 nanometrov, ktoré prepúšťajú dusičnanové ióny, ale zabraňujú prenikaniu pôdnych častíc. Po druhé, je hydrofilný, čo znamená, že priťahuje vodu ako špongia.

Andrews hovorí: “To znamená, že náš senzor absorbuje všetku vodu obsahujúcu dusičnany, čo je kľúčové, pretože aj pôda absorbuje vodu. Bez toho by bolo pre senzor ťažké získať dostatok vlhkosti, ale keďže náš materiál zodpovedá absorpcii vody pôdy, pomáha priťahovať vodu bohatú na dusičnany na povrch senzora pre presné merania.”

Výskumníci sa podelili o svoj pokrok v článku publikovanom v marci 2024 v časopise Advanced Material Technologies.

Tím testoval svoje senzory v dvoch typoch pôdy nachádzajúcich sa vo Wisconsine: piesočnatej pôde, ktorá je bežná v severocentrálnej oblasti, a hlinitej pôde, ktorá sa nachádza v juhozápadnom Wisconsine. Zistili, že senzory poskytovali presné výsledky v oboch typoch.

Výskumníci teraz pridávajú svoje senzory dusičnanov do systému, ktorý nazývajú “senzorická nálepka”. Tento systém kombinuje tri rôzne senzory – pre dusičnany, vlhkosť a teplotu – na flexibilnej plastovej fólii s lepidlom na zadnej strane.

Plánujú umiestniť niekoľko týchto snímacích nálepiek na tyč v rôznych výškach a potom tyč zakopať do pôdy. Toto nastavenie im umožní merať podmienky v rôznych hĺbkach pôdy.

Andrews vysvetľuje: “Meraním dusičnanov, vlhkosti a teploty v rôznych hĺbkach pôdy teraz môžeme sledovať proces vylúhovania dusičnanov a pozorovať, ako sa dusičnany pohybujú pôdou, čo sme predtým nemohli robiť.”

V lete 2024 budú výskumníci pokračovať v testovaní svojich senzorov umiestnením 30 senzorových tyčí do pôdy na výskumných staniciach Hancock a Arlington na Wisconsinskej univerzite v Madisone.

Tím pracuje na patentovaní tejto technológie prostredníctvom Nadácie pre výskum absolventov Wisconsinu.

Medzi spoluautormi z UW–Madison sú Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai a profesor Jingyi Huang z katedry pôdovedy.

Tento výskum bol financovaný z prostriedkov Nadácie pre výskum poľnohospodárstva a potravín Ministerstva poľnohospodárstva USA (USDA) (projekt č. WIS04075), grantu 2226568 Národnej vedeckej nadácie s názvom Signály v pôde a Centra pre inovácie v mliekarenskom priemysle Univerzity Wisconsin–Madison.