Novi senzori za tlo mogli bi poboljšati učinkovitost gnojidbe usjeva

Gnojiva koja sadrže dušik koriste se za povećanje proizvodnje hrane, ali njihove emisije mogu onečistiti okoliš. Za maksimiziranje korištenja resursa, povećanje poljoprivrednih prinosa i smanjenje ekoloških rizika, ključno je kontinuirano praćenje svojstava tla u stvarnom vremenu, poput temperature tla i emisije gnojiva. Za pametnu ili preciznu poljoprivredu potreban je višeparametarski senzor za praćenje emisija plina NOX i temperature tla za najbolju gnojidbu.

James L. Henderson, ml., memorijalni izvanredni profesor inženjerskih znanosti i mehanike na Sveučilištu Penn State, Huanyu “Larry” Cheng vodio je razvoj višeparametarskog senzora koji uspješno odvaja signale temperature i dušika kako bi omogućio točno mjerenje svakog od njih.

Čeng je rekao,„Za učinkovitu gnojidbu potrebno je kontinuirano i u stvarnom vremenu pratiti stanje tla, posebno iskorištenje dušika i temperaturu tla. To je bitno za procjenu zdravlja usjeva, smanjenje onečišćenja okoliša i promicanje održive i precizne poljoprivrede.“

Studija ima za cilj upotrijebiti odgovarajuću količinu za najbolji prinos usjeva. Proizvodnja usjeva može biti niža nego što bi mogla biti ako se koristi više dušika. Kada se gnojivo primjenjuje prekomjerno, ono se rasipa, biljke mogu izgorjeti, a otrovne dušikove pare ispuštaju se u okoliš. Poljoprivrednici mogu postići idealne razine gnojiva za rast biljaka uz pomoć točnog otkrivanja razine dušika.

Koautor Li Yang, profesor na Školi umjetne inteligencije na kineskom Tehnološkom sveučilištu Hebei, rekao je,„Na rast biljaka utječe i temperatura, koja utječe na fizičke, kemijske i mikrobiološke procese u tlu. Kontinuirano praćenje omogućuje poljoprivrednicima da razviju strategije i intervencije kada su temperature previsoke ili preniske za njihove usjeve.“

Prema Chengu, rijetko se izvještava o mehanizmima detekcije koji mogu neovisno jedno o drugome dobiti mjerenja dušika i temperature. I plinovi i temperatura mogu uzrokovati varijacije u očitanju otpora senzora, što otežava njihovo razlikovanje.

Chengov tim stvorio je visokoučinkoviti senzor koji može detektirati gubitak dušika neovisno o temperaturi tla. Senzor je izrađen od laserski inducirane grafenske pjene dopirane vanadijevim oksidom, a otkriveno je da dopiranje metalnih kompleksa u grafenu poboljšava adsorpciju plina i osjetljivost detekcije.

Budući da mekana membrana štiti senzor i sprječava prodiranje dušika, senzor reagira isključivo na promjene temperature. Senzor se također može koristiti bez kapsulacije i na višoj temperaturi.

To omogućuje točno mjerenje dušika isključivanjem utjecaja relativne vlažnosti i temperature tla. Temperatura i dušik mogu se potpuno i bez smetnji odvojiti pomoću zatvorenog i nezaštićenog senzora.

Istraživač je rekao da bi se odvajanje promjena temperature i emisija dušika moglo koristiti za stvaranje i implementaciju multimodalnih uređaja s odvojenim mehanizmima osjetnika za preciznu poljoprivredu u svim vremenskim uvjetima.

Cheng je rekao: „Sposobnost istovremenog otkrivanja ultra niskih koncentracija dušikovog oksida i malih promjena temperature otvara put razvoju budućih multimodalnih elektroničkih uređaja s odvojenim mehanizmima osjećanja za preciznu poljoprivredu, praćenje zdravlja i druge primjene.“

Chengovo istraživanje financirali su Nacionalni institut za zdravlje, Nacionalna zaklada za znanost, Penn State i Kineska nacionalna zaklada za prirodne znanosti.