Штампани сензори за земљиште могли би помоћи пољопривредницима да повећају приносе усева и смање трошкове

Инжењери са Универзитета Висконсин-Медисон су направили приступачне сензоре за праћење нивоа нитрата у земљишту у реалном времену за типове земљишта уобичајене у Висконсину. Ови штампани електрохемијски сензори могу помоћи пољопривредницима да доносе паметније одлуке о ђубрењу, што им потенцијално може уштедети новац.

“Наши сензори могу пољопривредницима дати јаснију слику о нивоима хранљивих материја у њиховом земљишту и колико је нитрата доступно за усеве. Ове информације им омогућавају да доносе прецизне одлуке о томе колико је ђубрива потребно”, каже Џозеф Ендруз, ванредни професор машинства на Универзитету Висконсин-Медисон и водећи истраживач. “Смањење употребе ђубрива могло би значити значајне уштеде трошкова, посебно за велике фарме.”

Нитрати су неопходни за раст усева, али превише њих може да продре у подземне воде, загађујући воду за пиће и штетећи животној средини. Ови нови сензори могу послужити и као алати у пољопривредним истраживањима, пратећи отицање нитрата и водећи боље праксе за смањење загађења.

Традиционалне методе за праћење нитрата у земљишту су дуготрајне, скупе и не нуде тренутне резултате. Да би се решили ови проблеми, Ендруз, стручњак за штампану електронику, и његов тим су дизајнирали ове сензоре као једноставнију и економичнију алтернативу.

За овај пројекат, истраживачи су користили метод инкџет штампања да би направили потенциометријске сензоре, који су врста сензора са танким филмом који користи електрохемијске реакције. Ови сензори се обично користе за прецизно мерење нивоа нитрата у течним растворима. Међутим, обично не раде добро у земљишту јер грубе честице земљишта могу огребати сензоре и утицати на тачна очитавања.

Ендруз објашњава: “Наш главни циљ је био да ови електрохемијски сензори ефикасно раде у захтевним условима земљишта и прецизно детектују нитратне јоне.”

Да би решили овај проблем, тим је додао заштитни слој преко сензора користећи материјал под називом поливинилиден флуорид. Према Ендрузовим речима, овај материјал има две важне особине. Прво, има изузетно мале поре, око 400 нанометара, које пропуштају нитратне јоне, али спречавају улазак честица земљишта. Друго, хидрофилан је, што значи да привлачи воду попут сунђера.

Ендруз каже: “То значи да ће наш сензор апсорбовати сваку воду која садржи нитрате, што је кључно јер и земљиште апсорбује воду. Без тога, сензору би било тешко да добије довољно влаге, али пошто наш материјал одговара апсорпцији воде земљишта, он помаже да се вода богата нитратима привуче на површину сензора ради прецизних очитавања.”

Истраживачи су поделили свој напредак у раду објављеном у марту 2024. године у часопису Advanced Material Technologies.

Тим је тестирао своје сензоре у две врсте земљишта које се налазе у Висконсину: песковитом земљишту, које је уобичајено у северно-централном подручју, и муљевитом иловастом земљишту, које се налази у југозападном Висконсину. Открили су да сензори дају тачне резултате у обе врсте.

Сада истраживачи додају своје сензоре за нитрате систему који називају “сензорска налепница”. Овај систем комбинује три различита сензора - за нитрате, влагу и температуру - на флексибилној пластичној фолији са лепком на полеђини.

Планирају да поставе неколико ових сензорских налепница на штап на различитим висинама, а затим да закопају штап у земљу. Ова поставка ће им омогућити да мере услове на различитим дубинама у земљишту.

Ендруз објашњава: “Мерењем нитрата, влаге и температуре на различитим дубинама земљишта, сада можемо пратити процес испирања нитрата и посматрати како се нитрати крећу кроз земљиште, нешто што раније нисмо могли да урадимо.”

Током лета 2024. године, истраживачи ће наставити са тестирањем својих сензора постављањем 30 сензорских штапића у земљиште на пољопривредним истраживачким станицама Ханкок и Арлингтон на Универзитету Висконсин-Медисон.

Тим ради на патентирању ове технологије преко Фондације за истраживање бивших студената Висконсина.

Коаутори са Универзитета Висконсин-Медисон су Куан-Ју Чен, Аатреша Бисвас, Шуохао Цаи и професор Ђингји Хуанг са Одељења за науку о тлу.

Ово истраживање је финансирано од стране Фондационог програма Иницијативе за истраживање пољопривреде и хране Министарства пољопривреде САД (број пројекта WIS04075), гранта Националне научне фондације „Сигнали у земљишту“ бр. 2226568 и Центра за иновације у млечној индустрији Универзитета Висконсин–Медисон.