Inženirji Univerze v Wisconsinu v Madisonu so razvili cenovno ugodne senzorje za tla.

Shuohao Cai, doktorski študent pedologije, na raziskovalni postaji Univerze v Wisconsinu in Madisonu Hancock namesti senzorsko palico z večnamensko nalepko, ki omogoča meritve na različnih globinah v tleh.
MADISON — Inženirji Univerze v Wisconsinu v Madisonu so razvili cenovno ugodne senzorje, ki lahko zagotavljajo neprekinjeno spremljanje nitratov v običajnih vrstah tal v Wisconsinu v realnem času. Ti tiskani elektrokemični senzorji lahko kmetom pomagajo pri sprejemanju bolj informiranih odločitev o upravljanju hranil in uresničevanju gospodarskih koristi.
»Naši senzorji lahko kmetom omogočijo boljše razumevanje prehranskega stanja njihovih tal in količine nitratov, ki so na voljo njihovim rastlinam, kar jim pomaga natančneje odločiti, koliko gnojila dejansko potrebujejo,« je dejal Joseph Andrews, docent na Univerzi Harvard. Študijo je vodila Fakulteta za strojništvo na Univerzi Wisconsin-Madison. »Če lahko zmanjšajo količino gnojila, ki ga kupujejo, bi lahko bili prihranki stroškov za večje kmetije znatni.«
Nitrati so bistveno hranilo za rast poljščin, vendar se lahko presežki nitratov izlužijo iz zemlje in vstopijo v podtalnico. Ta vrsta onesnaženja je škodljiva za ljudi, ki pijejo onesnaženo vodo iz vodnjakov, in je škodljiva za okolje. Novi senzor raziskovalcev bi se lahko uporabljal tudi kot orodje za kmetijske raziskave za spremljanje izpiranja nitratov in pomoč pri razvoju najboljših praks za ublažitev njegovih škodljivih učinkov.
Trenutne metode za spremljanje nitratov v tleh so delovno intenzivne, drage in ne zagotavljajo podatkov v realnem času. Zato sta strokovnjak za tiskano elektroniko Andrews in njegova ekipa začela iskati boljšo in cenejšo rešitev.
V tem projektu so raziskovalci uporabili postopek brizgalnega tiskanja za izdelavo potenciometričnega senzorja, vrste tankoplastnega elektrokemičnega senzorja. Potenciometrični senzorji se pogosto uporabljajo za natančno merjenje nitratov v tekočih raztopinah. Vendar ti senzorji na splošno niso primerni za uporabo v tleh, ker lahko veliki delci tal opraskajo senzorje in preprečijo natančne meritve.
»Glavni izziv, ki smo ga poskušali rešiti, je bil najti način, kako bi ti elektrokemični senzorji pravilno delovali v težkih talnih pogojih in natančno zaznali nitratne ione,« je dejal Andrews.
Rešitev ekipe je bila, da na senzor nanesejo plast poliviniliden fluorida. Po Andrewsovih besedah ima ta material dve ključni značilnosti. Prvič, ima zelo majhne pore, velike približno 400 nanometrov, ki omogočajo prehod nitratnih ionov, hkrati pa blokirajo delce tal. Drugič, je hidrofilen, kar pomeni, da privlači vodo in jo absorbira kot goba.
»Torej bo vsaka voda, bogata z nitrati, prednostno pronicala v naše senzorje, kar je res pomembno, saj so tla kot goba in izgubili boste bitko glede vlage, ki bi prišla v senzor, če ne boste mogli doseči enake absorpcije vode. Potencial tal,« je dejal Andrews. »Te lastnosti plasti poliviniliden fluorida nam omogočajo, da izvlečemo vodo, bogato z nitrati, jo dostavimo na površino senzorja in natančno zaznamo nitrate.«
Raziskovalci so svoj napredek podrobno opisali v članku, objavljenem marca 2024 v reviji Advanced Materials Technology.
Ekipa je preizkusila svoj senzor na dveh različnih vrstah tal, povezanih z Wisconsinom – peščenih tleh, pogostih v severno-osrednjih delih države, in muljastih ilovicah, pogostih v jugozahodnem Wisconsinu – in ugotovila, da senzorji dajejo natančne rezultate.
Raziskovalci zdaj integrirajo svoj senzor nitratov v večfunkcijski senzorski sistem, ki ga imenujejo »senzorska nalepka«, v katerem so tri različne vrste senzorjev nameščene na prožni plastični površini z lepilno podlago. Nalepke vsebujejo tudi senzorje vlažnosti in temperature.
Raziskovalci bodo na drog pritrdili več senzoričnih nalepk, jih namestili na različne višine in nato drog zakopali v zemljo. Ta postavitev jim je omogočila meritve na različnih globinah tal.
»Z merjenjem nitratov, vlage in temperature na različnih globinah lahko zdaj kvantificiramo proces izpiranja nitratov in razumemo, kako se nitrati premikajo skozi tla, kar prej ni bilo mogoče,« je dejal Andrews.
Poleti 2024 nameravajo raziskovalci namestiti 30 senzorskih palic v zemljo na kmetijski raziskovalni postaji Hancock in kmetijski raziskovalni postaji Arlington na Univerzi Wisconsin-Madison, da bi dodatno preizkusili senzor.