Νέοι αισθητήρες εδάφους θα μπορούσαν να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα της λίπανσης των καλλιεργειών

Τα λιπάσματα που περιέχουν άζωτο χρησιμοποιούνται για την αύξηση της παραγωγής τροφίμων, αλλά οι εκπομπές τους ενδέχεται να μολύνουν το περιβάλλον. Για τη μεγιστοποίηση της χρήσης των πόρων, την αύξηση των γεωργικών αποδόσεων και τη μείωση των περιβαλλοντικών κινδύνων, είναι απαραίτητη η συνεχής και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση των ιδιοτήτων του εδάφους, όπως η θερμοκρασία του εδάφους και οι εκπομπές λιπασμάτων. Ένας αισθητήρας πολλαπλών παραμέτρων είναι απαραίτητος για την έξυπνη ή ακριβέστατη γεωργία για την παρακολούθηση των εκπομπών αερίων NOX και της θερμοκρασίας του εδάφους για την καλύτερη λίπανση.

Ο James L. Henderson, Jr., Αναπληρωτής Καθηγητής Μηχανικής και Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Penn State, Huanyu “Larry” Cheng, ηγήθηκε της ανάπτυξης ενός αισθητήρα πολλαπλών παραμέτρων που διαχωρίζει με επιτυχία τα σήματα θερμοκρασίας και αζώτου, επιτρέποντας την ακριβή μέτρηση καθενός από αυτά.

Ο Τσενγκ είπε,«Για την αποτελεσματική λίπανση, υπάρχει ανάγκη για συνεχή και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση των εδαφικών συνθηκών, και συγκεκριμένα της αξιοποίησης του αζώτου και της θερμοκρασίας του εδάφους. Αυτό είναι απαραίτητο για την αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών, τη μείωση της περιβαλλοντικής ρύπανσης και την προώθηση της βιώσιμης και ακριβούς γεωργίας.»

Η μελέτη στοχεύει στη χρήση της κατάλληλης ποσότητας για την καλύτερη απόδοση της καλλιέργειας. Η παραγωγή της καλλιέργειας μπορεί να είναι χαμηλότερη από ό,τι θα μπορούσε να είναι εάν χρησιμοποιηθεί περισσότερο άζωτο. Όταν το λίπασμα εφαρμόζεται υπερβολικά, σπαταλιέται, τα φυτά μπορεί να καούν και απελευθερώνονται τοξικές αναθυμιάσεις αζώτου στο περιβάλλον. Οι αγρότες μπορούν να επιτύχουν τα ιδανικά επίπεδα λιπάσματος για την ανάπτυξη των φυτών με τη βοήθεια της ακριβούς ανίχνευσης των επιπέδων αζώτου.

Ο συν-συγγραφέας Li Yang, καθηγητής στη Σχολή Τεχνητής Νοημοσύνης στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Hebei της Κίνας, δήλωσε:«Η ανάπτυξη των φυτών επηρεάζεται επίσης από τη θερμοκρασία, η οποία επηρεάζει τις φυσικές, χημικές και μικροβιολογικές διεργασίες στο έδαφος. Η συνεχής παρακολούθηση επιτρέπει στους αγρότες να αναπτύσσουν στρατηγικές και παρεμβάσεις όταν οι θερμοκρασίες είναι πολύ υψηλές ή πολύ χαμηλές για τις καλλιέργειές τους.»

Σύμφωνα με τον Cheng, σπάνια αναφέρονται μηχανισμοί ανίχνευσης που μπορούν να λάβουν μετρήσεις αερίου αζώτου και θερμοκρασίας ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον. Τόσο τα αέρια όσο και η θερμοκρασία μπορούν να προκαλέσουν διακυμάνσεις στην ένδειξη αντίστασης του αισθητήρα, καθιστώντας δύσκολη τη διάκριση μεταξύ τους.

Η ομάδα του Cheng δημιούργησε έναν αισθητήρα υψηλής απόδοσης που μπορεί να ανιχνεύσει την απώλεια αζώτου ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία του εδάφους. Ο αισθητήρας είναι κατασκευασμένος από αφρό γραφενίου εμπλουτισμένο με οξείδιο του βαναδίου, επαγόμενο με λέιζερ, και έχει ανακαλυφθεί ότι τα μεταλλικά σύμπλοκα που προστίθενται στο γραφένιο βελτιώνουν την προσρόφηση αερίου και την ευαισθησία ανίχνευσης.

Επειδή μια μαλακή μεμβράνη προστατεύει τον αισθητήρα και αποτρέπει τη διείσδυση αερίου αζώτου, ο αισθητήρας αντιδρά αποκλειστικά στις αλλαγές της θερμοκρασίας. Ο αισθητήρας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί χωρίς ενθυλάκωση και σε υψηλότερη θερμοκρασία.

Αυτό επιτρέπει την ακριβή μέτρηση του αερίου αζώτου, εξαιρώντας τις επιδράσεις της σχετικής υγρασίας και της θερμοκρασίας του εδάφους. Η θερμοκρασία και το αέριο άζωτο μπορούν να αποσυνδεθούν πλήρως και χωρίς παρεμβολές χρησιμοποιώντας τους κλειστούς και μη ενθυλακωμένους αισθητήρες.

Ο ερευνητής δήλωσε ότι η αποσύνδεση των αλλαγών θερμοκρασίας και των εκπομπών αερίων αζώτου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία και την εφαρμογή πολυτροπικών συσκευών με αποσυνδεδεμένους μηχανισμούς ανίχνευσης για γεωργία ακριβείας σε όλες τις καιρικές συνθήκες.

Ο Cheng δήλωσε: «Η δυνατότητα ταυτόχρονης ανίχνευσης εξαιρετικά χαμηλών συγκεντρώσεων οξειδίου του αζώτου και μικρών αλλαγών θερμοκρασίας ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη μελλοντικών πολυτροπικών ηλεκτρονικών συσκευών με αποσυνδεδεμένους μηχανισμούς ανίχνευσης για γεωργία ακριβείας, παρακολούθηση της υγείας και άλλες εφαρμογές».

Η έρευνα του Cheng χρηματοδοτήθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Πανεπιστήμιο Penn State και το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας.