Novi senzorji za tla bi lahko izboljšali učinkovitost gnojenja pridelkov

Gnojila, ki vsebujejo dušik, se uporabljajo za povečanje proizvodnje hrane, vendar lahko njihove emisije onesnažujejo okolje. Za maksimiranje rabe virov, povečanje kmetijskih pridelkov in zmanjšanje okoljskih tveganj je bistveno stalno in sprotno spremljanje lastnosti tal, kot sta temperatura tal in emisije gnojil. Za pametno ali precizno kmetijstvo je potreben večparametrski senzor za spremljanje emisij plina NOX in temperature tal za najboljše gnojenje.

James L. Henderson ml., izredni profesor inženirskih znanosti in mehanike na Penn State, je vodil razvoj večparametrskega senzorja, ki uspešno ločuje temperaturne in dušikove signale, kar omogoča natančno merjenje vsakega od njih.

Čeng je rekel,»Za učinkovito gnojenje je potrebno stalno in sprotno spremljanje stanja tal, zlasti izrabe dušika in temperature tal. To je bistveno za ocenjevanje zdravja pridelkov, zmanjšanje onesnaženosti okolja ter spodbujanje trajnostnega in preciznega kmetijstva.«

Cilj študije je uporaba ustrezne količine za najboljši pridelek. Pridelek je lahko manjši, če se uporabi več dušika. Če se gnojilo uporablja prekomerno, se zapravlja, rastline lahko zgorijo, v okolje pa se sproščajo strupeni dušikovi hlapi. Kmetje lahko s pomočjo natančnega zaznavanja ravni dušika dosežejo idealne ravni gnojila za rast rastlin.

Soavtor Li Yang, profesor na Šoli za umetno inteligenco na kitajski tehnološki univerzi Hebei, je dejal:»Na rast rastlin vpliva tudi temperatura, ki vpliva na fizikalne, kemične in mikrobiološke procese v tleh. Neprekinjeno spremljanje omogoča kmetom, da razvijejo strategije in intervencije, ko so temperature za njihove pridelke previsoke ali prenizke.«

Po Chengovih besedah so mehanizmi zaznavanja, ki lahko neodvisno drug od drugega pridobivajo meritve dušikovega plina in temperature, redko opisani. Tako plini kot temperatura lahko povzročijo razlike v odčitku upornosti senzorja, zaradi česar je težko razlikovati med njimi.

Chengova ekipa je ustvarila visokozmogljiv senzor, ki lahko zazna izgubo dušika neodvisno od temperature tal. Senzor je izdelan iz lasersko inducirane grafenske pene, dopirane z vanadijevim oksidom, in odkrili so, da dopiranje kovinskih kompleksov v grafenu izboljša adsorpcijo plinov in občutljivost zaznavanja.

Ker mehka membrana ščiti senzor in preprečuje prepustnost dušikovega plina, se senzor odziva izključno na spremembe temperature. Senzor se lahko uporablja tudi brez enkapsulacije in pri višji temperaturi.

To omogoča natančno merjenje dušikovega plina z izključitvijo vpliva relativne vlažnosti in temperature tal. Temperaturo in dušikov plin je mogoče popolnoma in brez motenj ločiti z uporabo priloženih in nezaprtih senzorjev.

Raziskovalec je dejal, da bi se lahko ločevanje temperaturnih sprememb in emisij dušikovih plinov uporabilo za ustvarjanje in izvajanje multimodalnih naprav z ločenimi senzorskimi mehanizmi za precizno kmetijstvo v vseh vremenskih razmerah.

Cheng je dejal: »Zmožnost hkratnega zaznavanja ultra nizkih koncentracij dušikovega oksida in majhnih temperaturnih sprememb utira pot razvoju prihodnjih multimodalnih elektronskih naprav z ločenimi senzorskimi mehanizmi za precizno kmetijstvo, spremljanje zdravja in druge aplikacije.«

Chengovo raziskavo so financirali Nacionalni inštituti za zdravje, Nacionalna znanstvena fundacija, Penn State in Kitajska nacionalna fundacija za naravoslovje.