Друковані ґрунтові датчики можуть допомогти фермерам підвищити врожайність і скоротити витрати

Інженери з Університету Вісконсина-Медісона створили доступні датчики для моніторингу рівня нітратів у ґрунті в режимі реального часу для типів ґрунтів, поширених у Вісконсині. Ці друковані електрохімічні датчики можуть допомогти фермерам приймати більш обґрунтовані рішення щодо удобрення, потенційно заощаджуючи їм гроші.

“Наші датчики можуть дати фермерам чіткіше уявлення про рівень поживних речовин у їхньому ґрунті та про те, скільки нітратів доступно для сільськогосподарських культур. Ця інформація дозволяє їм приймати точні рішення щодо того, скільки добрив потрібно”, — каже Джозеф Ендрюс, доцент кафедри машинобудування та провідний дослідник Університету Вісконсина в Медісоні. “Зменшення використання добрив може означати значну економію коштів, особливо для великих ферм”.”

Нітрати необхідні для росту сільськогосподарських культур, але їх надмірна кількість може просочуватися в ґрунтові води, забруднюючи питну воду та шкодячи навколишньому середовищу. Ці нові датчики також можуть служити інструментами в сільськогосподарських дослідженнях, відстежуючи стік нітратів та спрямовуючи кращі практики для зменшення забруднення.

Традиційні методи моніторингу нітратів у ґрунті є трудомісткими, дорогими та не дають негайних результатів. Щоб вирішити цю проблему, Ендрюс, експерт з друкованої електроніки, та його команда розробили ці датчики як простішу та економічнішу альтернативу.

Для цього проєкту дослідники використали метод струменевого друку для створення потенціометричних датчиків, які являють собою різновид тонкоплівкових датчиків, що використовують електрохімічні реакції. Ці датчики зазвичай використовуються для точного вимірювання рівня нітратів у рідких розчинах. Однак вони зазвичай погано працюють у ґрунті, оскільки шорсткі частинки ґрунту можуть подряпати датчики та вплинути на точність показань.

Ендрюс пояснює: “Нашою головною метою було зробити так, щоб ці електрохімічні датчики ефективно працювали в складних ґрунтових умовах і точно виявляли іони нітратів”.”

Щоб вирішити цю проблему, команда додала захисний шар поверх датчика, використовуючи матеріал під назвою полівініліденфторид. За словами Ендрюса, цей матеріал має дві важливі якості. По-перше, він має надзвичайно малі пори, близько 400 нанометрів, які пропускають іони нітратів, але не пропускають частинки ґрунту. По-друге, він гідрофільний, тобто притягує воду, як губка.

Ендрюс каже: “Це означає, що будь-яка вода, що містить нітрати, буде поглинатися нашим датчиком, що є надзвичайно важливим, оскільки ґрунт також поглинає воду. Без цього датчику було б важко отримати достатню кількість вологи, але оскільки наш матеріал відповідає водопоглинанню ґрунту, він допомагає притягувати багату на нітрати воду до поверхні датчика для отримання точних показників”.”

Дослідники поділилися своїм прогресом у статті, опублікованій у березні 2024 року в журналі Advanced Material Technologies.

Команда дослідників протестувала свої датчики на двох типах ґрунту, що зустрічаються у Вісконсині: піщаному ґрунті, який поширений у північно-центральній частині, та мулистому суглинковому ґрунті, який зустрічається на південному заході Вісконсина. Вони виявили, що датчики дають точні результати в обох типах.

Тепер дослідники додають свої датчики нітратів до системи, яку вони називають “сенсорною наклейкою”. Ця система поєднує три різні датчики — для нітратів, вологи та температури — на гнучкому пластиковому листі з клеєм на зворотному боці.

Вони планують розмістити кілька таких сенсорних наклейок на стрижні на різній висоті, а потім закопати стрижень у ґрунт. Така установка дозволить їм вимірювати умови на різній глибині ґрунту.

Ендрюс пояснює: “Вимірюючи нітрати, вологість і температуру на різній глибині ґрунту, ми тепер можемо відстежувати процес вимивання нітратів і спостерігати, як нітрати рухаються крізь ґрунт, чого ми раніше не могли робити”.”

Влітку 2024 року дослідники продовжать тестування своїх датчиків, розмістивши 30 сенсорних стрижнів у ґрунті на сільськогосподарських дослідницьких станціях Генкок та Арлінгтон при Вісконсинському університеті в Медісоні.

Команда працює над патентуванням цієї технології через Фонд досліджень випускників Вісконсина.

Серед співавторів з Університету Вісконсина в Медісоні є Куан-Ю Чен, Аатреша Бісвас, Шуохао Цай та професор Цзін'ї Хуан з кафедри ґрунтознавства.

Це дослідження було профінансовано Фондом ініціативи з досліджень у сільському господарстві та харчових продуктах Міністерства сільського господарства США (проект № WIS04075), грантом Національного наукового фонду «Сигнали в ґрунті» № 2226568 та Центром інновацій у молочній галузі Університету Вісконсина в Медісоні.