Tryckta jordsensorer kan hjälpa jordbrukare att öka skördarna och minska kostnaderna

Ingenjörer vid University of Wisconsin–Madison har skapat prisvärda sensorer för att övervaka nitratnivåer i marken i realtid för jordtyper som är vanliga i Wisconsin. Dessa tryckta elektrokemiska sensorer kan hjälpa jordbrukare att fatta smartare beslut om gödsling, vilket potentiellt kan spara dem pengar.

“Våra sensorer kan ge jordbrukare en tydligare bild av jordens näringsnivåer och hur mycket nitrat som finns tillgängligt för grödor. Denna information gör det möjligt för dem att fatta exakta beslut om hur mycket gödselmedel som behövs”, säger Joseph Andrews, biträdande professor i maskinteknik och huvudforskare vid UW–Madison. “Att minska gödselanvändningen kan innebära betydande kostnadsbesparingar, särskilt för stora gårdar.”

Nitrat är viktigt för grödors tillväxt, men för mycket av det kan sippra ut i grundvattnet, förorena dricksvattnet och skada miljön. Dessa nya sensorer kan också fungera som verktyg inom jordbruksforskning, spåra nitratavrinning och vägleda bättre metoder för att minska föroreningar.

Traditionella metoder för att övervaka nitrathalten i marken är tidskrävande, kostsamma och ger inte omedelbara resultat. För att hantera detta designade Andrews, en expert på tryckt elektronik, och hans team dessa sensorer som ett enklare och mer ekonomiskt alternativ.

För detta projekt använde forskarna en bläckstråleutskriftsmetod för att tillverka potentiometriska sensorer, en typ av tunnfilmssensor som använder elektrokemiska reaktioner. Dessa sensorer används vanligtvis för att mäta nitratnivåer i flytande lösningar noggrant. De fungerar dock vanligtvis inte bra i jord eftersom grova jordpartiklar kan repa sensorerna och påverka noggranna avläsningar.

Andrews förklarar: “Vårt huvudmål var att få dessa elektrokemiska sensorer att fungera effektivt i utmanande jordförhållanden och att exakt detektera nitratjoner.”

För att lösa detta lade teamet ett skyddande lager över sensorn med hjälp av ett material som kallas polyvinylidenfluorid. Enligt Andrews har detta material två viktiga egenskaper. För det första har det extremt små porer, runt 400 nanometer, som släpper igenom nitratjoner men håller jordpartiklar ute. För det andra är det hydrofilt, vilket betyder att det drar till sig vatten som en svamp.

Andrews säger: “Detta innebär att allt vatten som innehåller nitrater kommer att absorberas av vår sensor, vilket är avgörande eftersom jord också absorberar vatten. Utan detta skulle det vara svårt för sensorn att få tillräckligt med fukt, men eftersom vårt material matchar jordens vattenabsorption hjälper det till att dra nitratrikt vatten till sensorns yta för noggranna avläsningar.”

Forskarna delade med sig av sina framsteg i en artikel som publicerades i mars 2024 i Advanced Material Technologies.

Teamet testade sina sensorer i två typer av jordar som finns i Wisconsin: sandjord, som är vanlig i det norra centrala området, och siltjord, som finns i sydvästra Wisconsin. De fann att sensorerna gav korrekta resultat i båda typerna.

Nu lägger forskarna till sina nitratsensorer i ett system som de kallar ett "sensorklistermärke". Detta system kombinerar tre olika sensorer – för nitrater, fukt och temperatur – på en flexibel plastfolie med självhäftande material på baksidan.

De planerar att placera flera av dessa sensorklistermärken på en stång på olika höjder och sedan gräva ner staven i jorden. Denna uppställning gör det möjligt för dem att mäta förhållandena på olika djup i jorden.

Andrews förklarar: “Genom att mäta nitrat, fukt och temperatur på olika jorddjup kan vi nu spåra processen för nitratlakning och observera hur nitrat rör sig genom jorden, något vi inte kunde göra tidigare.”

Sommaren 2024 kommer forskarna att fortsätta testa sina sensorer genom att placera 30 sensorstavar i jorden vid UW–Madisons jordbruksforskningsstationer Hancock och Arlington.

Teamet arbetar med att patentera denna teknik genom Wisconsin Alumni Research Foundation.

Medförfattare från UW–Madison inkluderar Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai och professor Jingyi Huang från institutionen för markvetenskap.

Denna forskning finansierades av USDA Agriculture and Food Research Initiative Foundational Program (projektnummer WIS04075), National Science Foundations Signals in the Soil-bidrag 2226568 och University of Wisconsin–Madison Dairy Innovation Hub.