Natisnjeni senzorji tal bi lahko kmetom pomagali povečati pridelek in zmanjšati stroške

Inženirji na Univerzi Wisconsin-Madison so ustvarili cenovno dostopne senzorje za spremljanje ravni nitratov v tleh v realnem času za vrste tal, ki so pogoste v Wisconsinu. Ti tiskani elektrokemični senzorji lahko kmetom pomagajo pri sprejemanju pametnejših odločitev o gnojenju, kar jim lahko prihrani denar.

“Naši senzorji lahko kmetom dajo jasnejšo sliko o ravni hranil v njihovih tleh in o tem, koliko nitratov je na voljo za pridelke. Te informacije jim omogočajo, da se natančno odločijo o tem, koliko gnojila je potrebno,” pravi Joseph Andrews, docent strojništva na Univerzi v Wisconsinu v Madisonu in vodilni raziskovalec. “Zmanjšanje uporabe gnojil bi lahko pomenilo znatne prihranke stroškov, zlasti za velike kmetije.”

Nitrat je bistvenega pomena za rast poljščin, vendar lahko preveč le-tega pronica v podtalnico, onesnažuje pitno vodo in škoduje okolju. Ti novi senzorji lahko služijo tudi kot orodja v kmetijskih raziskavah, spremljajo odtekanje nitratov in vodijo boljše prakse za zmanjšanje onesnaževanja.

Tradicionalne metode za spremljanje nitratov v tleh so zamudne, drage in ne ponujajo takojšnjih rezultatov. Da bi to rešili, je Andrews, strokovnjak za tiskano elektroniko, s svojo ekipo zasnoval te senzorje kot enostavnejšo in ekonomičnejšo alternativo.

Za ta projekt so raziskovalci uporabili metodo brizgalnega tiskanja za izdelavo potenciometričnih senzorjev, ki so neke vrste tankoplastni senzorji, ki uporabljajo elektrokemične reakcije. Ti senzorji se običajno uporabljajo za natančno merjenje ravni nitratov v tekočih raztopinah. Vendar pa običajno ne delujejo dobro v tleh, ker lahko grobi delci tal opraskajo senzorje in vplivajo na natančne odčitke.

Andrews pojasnjuje: “Naš glavni cilj je bil, da bi ti elektrokemični senzorji učinkovito delovali v zahtevnih talnih pogojih in natančno zaznali nitratne ione.”

Da bi to rešili, je ekipa na senzor dodala zaščitno plast z materialom, imenovanim poliviniliden fluorid. Po Andrewsovih besedah ima ta material dve pomembni lastnosti. Prvič, ima izjemno majhne pore, približno 400 nanometrov, ki prepuščajo nitratne ione, vendar preprečujejo vstop delcev zemlje. Drugič, je hidrofilen, kar pomeni, da privlači vodo kot goba.

Andrews pravi: “To pomeni, da bo naš senzor absorbiral vso vodo, ki vsebuje nitrate, kar je ključnega pomena, saj tudi tla absorbirajo vodo. Brez tega bi senzor težko dobil dovolj vlage, a ker se naš material ujema z absorpcijo vode v tleh, pomaga pritegniti vodo, bogato z nitrati, na površino senzorja za natančne odčitke.”

Raziskovalci so svoj napredek delili v članku, objavljenem marca 2024 v reviji Advanced Material Technologies.

Ekipa je preizkusila svoje senzorje v dveh vrstah tal, ki jih najdemo v Wisconsinu: peščenih tleh, ki so pogosta v severno-osrednjem območju, in meljastih ilovnatih tleh, ki jih najdemo v jugozahodnem Wisconsinu. Ugotovili so, da senzorji dajejo natančne rezultate v obeh vrstah.

Raziskovalci zdaj dodajajo svoje senzorje za nitrate sistemu, ki ga imenujejo “senzorska nalepka”. Ta sistem združuje tri različne senzorje – za nitrate, vlago in temperaturo – na prožni plastični foliji z lepilom na hrbtni strani.

Načrtujejo, da bodo več teh senzorskih nalepk namestili na palico na različnih višinah, nato pa palico zakopali v zemljo. Ta postavitev jim bo omogočila merjenje razmer na različnih globinah v tleh.

Andrews pojasnjuje: “Z merjenjem nitratov, vlage in temperature na različnih globinah tal lahko zdaj spremljamo proces izpiranja nitratov in opazujemo, kako se nitrat premika skozi tla, česar prej nismo mogli storiti.”

Poleti 2024 bodo raziskovalci nadaljevali s testiranjem svojih senzorjev tako, da bodo v tla na kmetijskih raziskovalnih postajah Hancock in Arlington na Univerzi v Wisconsinu v Madisonu namestili 30 senzorskih palic.

Ekipa si prizadeva za patentiranje te tehnologije prek fundacije za raziskave alumnov Wisconsina.

Soavtorji z univerze UW–Madison so Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai in profesor Jingyi Huang z oddelka za talne znanosti.

To raziskavo so financirali program USDA Agriculture and Food Research Initiative Foundational Program (projekt št. WIS04075), nepovratna sredstva Nacionalne znanstvene fundacije Signals in the Soil št. 2226568 in inovacijski center za mlečne izdelke Univerze v Wisconsinu v Madisonu.