Shuohao Cai, talajtudományi doktorandusz, egy multifunkciós érzékelőmatricával ellátott érzékelőrudat helyez el a talajban, amely lehetővé teszi a méréseket különböző mélységekben a Wisconsin-Madison Egyetem Hancock Mezőgazdasági Kutatóállomásán.
MADISON — A Wisconsini Egyetem Madison-i mérnökei olyan alacsony költségű érzékelőket fejlesztettek ki, amelyek folyamatos, valós idejű nitrátszint-monitorozást biztosítanak a gyakori wisconsini talajtípusokban. Ezek a nyomtatott elektrokémiai érzékelők segíthetnek a gazdálkodóknak a megalapozottabb tápanyag-gazdálkodási döntések meghozatalában és a gazdasági előnyök realizálásában.
„Szenzoraink segítségével a gazdák jobban megérthetik talajuk tápanyag-ellátottságát és a növényeik számára elérhető nitrát mennyiségét, így pontosabban eldönthetik, hogy mennyi műtrágyára van valójában szükségük” – mondta Joseph Andrews, a Harvard Egyetem adjunktusa. A tanulmányt a Wisconsin-Madisoni Egyetem Gépészmérnöki Kara vezette. „Ha csökkenteni tudják a vásárolt műtrágya mennyiségét, a költségmegtakarítás jelentős lehet a nagyobb gazdaságok számára.”
A nitrátok nélkülözhetetlen tápanyagok a növények növekedéséhez, de a felesleges nitrátok kimosódhatnak a talajból és bekerülhetnek a talajvízbe. Ez a fajta szennyeződés káros a szennyezett kútvizet fogyasztókra és a környezetre is. A kutatók új érzékelője mezőgazdasági kutatási eszközként is használható a nitrátkimosódás monitorozására és a káros hatások enyhítésére szolgáló legjobb gyakorlatok kidolgozására.
A talajnitrát monitorozásának jelenlegi módszerei munkaigényesek, drágák és nem biztosítanak valós idejű adatokat. Ezért Andrews, a nyomtatott elektronika szakértője és csapata egy jobb, olcsóbb megoldás kidolgozására törekedett.
Ebben a projektben a kutatók tintasugaras nyomtatási eljárást alkalmaztak egy potenciometrikus érzékelő, egyfajta vékonyrétegű elektrokémiai érzékelő létrehozásához. A potenciometrikus érzékelőket gyakran használják a folyékony oldatokban lévő nitrát pontos mérésére. Ezek az érzékelők azonban általában nem alkalmasak talajkörnyezetben való használatra, mivel a nagy talajrészecskék megkarcolhatják az érzékelőket és megakadályozhatják a pontos méréseket.
„A fő kihívás, amelyet megpróbáltunk megoldani, az volt, hogy megtaláljuk a módját, hogyan lehet ezeket az elektrokémiai érzékelőket megfelelően működtetni zord talajviszonyok között, és pontosan kimutatni a nitrátionokat” – mondta Andrews.
A csapat megoldása az volt, hogy egy polivinilidén-fluorid réteget helyeztek az érzékelőre. Andrews szerint ennek az anyagnak két fő jellemzője van. Először is, nagyon apró, körülbelül 400 nanométer méretű pórusai vannak, amelyek lehetővé teszik a nitrátionok átjutását, miközben blokkolják a talajrészecskéket. Másodszor, hidrofil, azaz vonzza a vizet, és szivacsként szívja fel.
„Tehát minden nitrátban gazdag víz előnyben részesíti a szenzorainkba való beszivárgást, ami nagyon fontos, mert a talaj is olyan, mint egy szivacs, és elveszítjük a csatát a nedvesség szenzorba jutása tekintetében, ha nem tudjuk ugyanazt a vízfelvételt elérni. A talaj potenciálja” – mondta Andrews. „A polivinilidén-fluorid réteg ezen tulajdonságai lehetővé teszik számunkra, hogy nitrátban gazdag vizet kinyerjünk, azt a szenzor felületére juttassuk, és pontosan érzékeljük a nitrátot.”
A kutatók részletesen ismertették az előrehaladásukat egy 2024 márciusában az Advanced Materials Technology folyóiratban megjelent cikkükben.
A csapat két különböző, Wisconsinhoz kapcsolódó talajtípuson tesztelte érzékelőjét – homokos talajon, amely az állam észak-középső részein gyakori, és iszapos vályogtalajon, amely Wisconsin délnyugati részén gyakori –, és megállapította, hogy az érzékelők pontos eredményeket szolgáltattak.
A kutatók most integrálják nitrátszenzorukat egy multifunkcionális szenzorrendszerbe, amit „szenzormatricának” neveznek, amelyben három különböző típusú szenzort rögzítenek egy rugalmas műanyag felületre ragasztós hátlap segítségével. A matricák páratartalom- és hőmérséklet-érzékelőket is tartalmaznak.
A kutatók több érzékszervi matricát rögzítenek egy oszlopra, különböző magasságokban helyezik el őket, majd a oszlopot a talajba temetik. Ez a beállítás lehetővé tette számukra, hogy különböző talajmélységekben végezzenek méréseket.
„A nitrát, a nedvesség és a hőmérséklet különböző mélységekben történő mérésével most számszerűsíthetjük a nitrát kimosódásának folyamatát, és megérthetjük, hogyan mozog a nitrát a talajban, ami korábban nem volt lehetséges” – mondta Andrews.
A kutatók azt tervezik, hogy 2024 nyarán 30 érzékelőrudat helyeznek el a talajban a Wisconsin-Madisoni Egyetem Hancock Mezőgazdasági Kutatóállomásán és az Arlingtoni Mezőgazdasági Kutatóállomásán az érzékelő további tesztelése érdekében.
Közzététel ideje: 2024. július 9.