Ο Shuohao Cai, διδακτορικός φοιτητής στην εδαφολογία, τοποθετεί μια ράβδο αισθητήρα με ένα αυτοκόλλητο πολυλειτουργικού αισθητήρα που επιτρέπει μετρήσεις σε διαφορετικά βάθη στο έδαφος στον Σταθμό Γεωργικής Έρευνας Hancock του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison.
ΜΑΝΤΙΣΟΝ — Μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μάντισον ανέπτυξαν αισθητήρες χαμηλού κόστους που μπορούν να παρέχουν συνεχή, σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση των νιτρικών σε κοινούς τύπους εδάφους του Ουισκόνσιν. Αυτοί οι εκτυπωμένοι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μπορούν να βοηθήσουν τους αγρότες να λαμβάνουν πιο ενημερωμένες αποφάσεις για τη διαχείριση των θρεπτικών συστατικών και να αποκομίσουν οικονομικά οφέλη.
«Οι αισθητήρες μας μπορούν να δώσουν στους αγρότες μια καλύτερη κατανόηση της θρεπτικής κατάστασης του εδάφους τους και της ποσότητας νιτρικών αλάτων που είναι διαθέσιμη στα φυτά τους, βοηθώντας τους να αποφασίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια πόσο λίπασμα χρειάζονται πραγματικά», δήλωσε ο Joseph Andrews, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ. Η μελέτη διεξήχθη από τη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μάντισον. «Εάν μπορέσουν να μειώσουν την ποσότητα λιπάσματος που αγοράζουν, η εξοικονόμηση κόστους θα μπορούσε να είναι σημαντική για τις μεγαλύτερες εκμεταλλεύσεις».
Τα νιτρικά άλατα είναι ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για την ανάπτυξη των καλλιεργειών, αλλά η περίσσεια νιτρικών αλάτων μπορεί να διαρρεύσει από το έδαφος και να εισέλθει στα υπόγεια ύδατα. Αυτός ο τύπος μόλυνσης είναι επιβλαβής για τους ανθρώπους που πίνουν μολυσμένο νερό πηγαδιών και είναι επιβλαβής για το περιβάλλον. Ο νέος αισθητήρας των ερευνητών θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο γεωργικής έρευνας για την παρακολούθηση της έκπλυσης νιτρικών αλάτων και να βοηθήσει στην ανάπτυξη βέλτιστων πρακτικών για τον μετριασμό των επιβλαβών επιπτώσεών της.
Οι τρέχουσες μέθοδοι για την παρακολούθηση των νιτρικών αλάτων στο έδαφος είναι χρονοβόρες, δαπανηρές και δεν παρέχουν δεδομένα σε πραγματικό χρόνο. Γι' αυτό ο ειδικός σε έντυπα ηλεκτρονικά, Άντριους, και η ομάδα του, ξεκίνησαν να δημιουργούν μια καλύτερη και λιγότερο δαπανηρή λύση.
Σε αυτό το έργο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια διαδικασία εκτύπωσης inkjet για να δημιουργήσουν έναν ποτενσιομετρικό αισθητήρα, έναν τύπο ηλεκτροχημικού αισθητήρα λεπτής μεμβράνης. Οι ποτενσιομετρικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται συχνά για την ακριβή μέτρηση των νιτρικών σε υγρά διαλύματα. Ωστόσο, αυτοί οι αισθητήρες γενικά δεν είναι κατάλληλοι για χρήση σε εδαφικά περιβάλλοντα, επειδή τα μεγάλα σωματίδια εδάφους μπορούν να γρατσουνίσουν τους αισθητήρες και να αποτρέψουν τις ακριβείς μετρήσεις.
«Η κύρια πρόκληση που προσπαθούσαμε να λύσουμε ήταν να βρούμε έναν τρόπο να κάνουμε αυτούς τους ηλεκτροχημικούς αισθητήρες να λειτουργούν σωστά σε σκληρές συνθήκες εδάφους και να ανιχνεύουν με ακρίβεια νιτρικά ιόντα», δήλωσε ο Άντριους.
Η λύση της ομάδας ήταν να τοποθετήσει ένα στρώμα φθοριούχου πολυβινυλιδενίου στον αισθητήρα. Σύμφωνα με τον Άντριους, αυτό το υλικό έχει δύο βασικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, έχει πολύ μικροσκοπικούς πόρους, μεγέθους περίπου 400 νανόμετρων, οι οποίοι επιτρέπουν στα ιόντα νιτρικών να διέρχονται, ενώ παράλληλα μπλοκάρουν τα σωματίδια του εδάφους. Δεύτερον, είναι υδρόφιλο, δηλαδή προσελκύει νερό και το απορροφά σαν σφουγγάρι.
«Έτσι, οποιοδήποτε νερό πλούσιο σε νιτρικά άλατα θα διεισδύσει κατά προτίμηση στους αισθητήρες μας, κάτι που είναι πραγματικά σημαντικό επειδή το έδαφος είναι επίσης σαν σφουγγάρι και θα χάσετε τη μάχη όσον αφορά την υγρασία που εισέρχεται στον αισθητήρα εάν δεν μπορείτε να επιτύχετε την ίδια απορρόφηση νερού. Δυναμικό εδάφους», δήλωσε ο Andrews. «Αυτές οι ιδιότητες του στρώματος πολυβινυλιδενικού φθοριδίου μας επιτρέπουν να εξάγουμε νερό πλούσιο σε νιτρικά άλατα, να το μεταφέρουμε στην επιφάνεια του αισθητήρα και να ανιχνεύουμε με ακρίβεια τα νιτρικά άλατα».
Οι ερευνητές περιέγραψαν λεπτομερώς την πρόοδό τους σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Μάρτιο του 2024 στο περιοδικό Advanced Materials Technology.
Η ομάδα δοκίμασε τον αισθητήρα της σε δύο διαφορετικούς τύπους εδάφους που σχετίζονται με το Ουισκόνσιν - αμμώδη εδάφη, κοινά στα βόρεια-κεντρικά τμήματα της πολιτείας, και αργιλώδη εδάφη, κοινά στο νοτιοδυτικό Ουισκόνσιν - και διαπίστωσε ότι οι αισθητήρες παρήγαγαν ακριβή αποτελέσματα.
Οι ερευνητές ενσωματώνουν τώρα τον αισθητήρα νιτρικών αλάτων σε ένα πολυλειτουργικό σύστημα αισθητήρων που ονομάζουν «αυτοκόλλητο αισθητήρα», στο οποίο τρεις διαφορετικοί τύποι αισθητήρων είναι τοποθετημένοι σε μια εύκαμπτη πλαστική επιφάνεια χρησιμοποιώντας ένα αυτοκόλλητο υπόστρωμα. Τα αυτοκόλλητα περιέχουν επίσης αισθητήρες υγρασίας και θερμοκρασίας.
Οι ερευνητές θα επικολλήσουν διάφορα αισθητήρια αυτοκόλλητα σε έναν στύλο, θα τα τοποθετήσουν σε διαφορετικά ύψη και στη συνέχεια θα θάψουν τον στύλο στο χώμα. Αυτή η διάταξη τους επέτρεψε να λαμβάνουν μετρήσεις σε διαφορετικά βάθη εδάφους.
«Μετρώντας τα νιτρικά άλατα, την υγρασία και τη θερμοκρασία σε διαφορετικά βάθη, μπορούμε πλέον να ποσοτικοποιήσουμε τη διαδικασία έκπλυσης νιτρικών και να κατανοήσουμε πώς τα νιτρικά άλατα κινούνται μέσα στο έδαφος, κάτι που δεν ήταν δυνατό πριν», δήλωσε ο Άντριους.
Το καλοκαίρι του 2024, οι ερευνητές σχεδιάζουν να τοποθετήσουν 30 ράβδους αισθητήρων στο έδαφος στον Σταθμό Γεωργικής Έρευνας Hancock και στον Σταθμό Γεωργικής Έρευνας Arlington στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison για να δοκιμάσουν περαιτέρω τον αισθητήρα.
Ώρα δημοσίευσης: 09 Ιουλίου 2024