Нові ґрунтові датчики можуть покращити ефективність удобрення сільськогосподарських культур

Добрива, що містять азот, використовуються для збільшення виробництва продуктів харчування, але їхні викиди можуть забруднювати навколишнє середовище. Для максимізації використання ресурсів, підвищення врожайності сільського господарства та зниження екологічних ризиків необхідний постійний моніторинг властивостей ґрунту в режимі реального часу, таких як температура ґрунту та викиди добрив. Для розумного або точного землеробства необхідний багатопараметричний датчик, щоб відстежувати викиди газів NOX та температуру ґрунту для найкращого удобрення.

Джеймс Л. Хендерсон-молодший, доцент кафедри інженерних наук та механіки в Університеті штату Пенсильванія, Хуаньюй «Ларрі» Ченг очолив розробку багатопараметричного датчика, який успішно розділяє сигнали температури та азоту, що дозволяє точно вимірювати кожен з них.

Ченг сказав,«Для ефективного удобрення необхідний постійний моніторинг стану ґрунту в режимі реального часу, зокрема використання азоту та температури ґрунту. Це важливо для оцінки стану сільськогосподарських культур, зменшення забруднення навколишнього середовища та сприяння сталому та точному землеробству».

Мета дослідження — використовувати відповідну кількість добрив для отримання найкращого врожаю. Врожайність може бути нижчою, ніж при використанні більшої кількості азоту. При надмірному внесенні добрив вони марнуються, рослини можуть згоріти, а токсичні пари азоту потрапляють у навколишнє середовище. Фермери можуть досягти ідеального рівня добрив для росту рослин за допомогою точного визначення рівня азоту.

Співавтор Лі Ян, професор Школи штучного інтелекту Хебейського технологічного університету Китаю, сказав:«На ріст рослин також впливає температура, яка впливає на фізичні, хімічні та мікробіологічні процеси в ґрунті. Постійний моніторинг дозволяє фермерам розробляти стратегії та заходи, коли температура занадто висока або занадто низька для їхніх культур».

За словами Ченга, рідко повідомляється про сенсорні механізми, які можуть отримувати вимірювання газоподібного азоту та температури незалежно один від одного. Як гази, так і температура можуть спричиняти коливання показників опору датчика, що ускладнює їх розрізнення.

Команда Ченга створила високопродуктивний датчик, який може виявляти втрату азоту незалежно від температури ґрунту. Датчик виготовлений з легованої оксидом ванадію, індукованої лазером графенової піни, і було виявлено, що легуючі металеві комплекси в графені покращують адсорбцію газу та чутливість виявлення.

Оскільки м'яка мембрана захищає датчик і запобігає проникненню газоподібного азоту, датчик реагує лише на зміни температури. Датчик також можна використовувати без герметизації та за вищої температури.

Це дозволяє точно вимірювати газоподібний азот, виключаючи вплив відносної вологості та температури ґрунту. Температура та газоподібний азот можуть бути повністю та без перешкод розв'язані за допомогою вбудованих та неінкапсульованих датчиків.

Дослідник сказав, що розв'язання змін температури та викидів газоподібного азоту може бути використано для створення та впровадження мультимодальних пристроїв з роз'єднаними механізмами сенсорного зондування для точного землеробства за будь-яких погодних умов.

Ченг сказав: «Здатність одночасно виявляти наднизькі концентрації оксиду азоту та невеликі зміни температури відкриває шлях для розробки майбутніх мультимодальних електронних пристроїв з роз'єднаними механізмами зондування для точного землеробства, моніторингу здоров'я та інших застосувань».

Дослідження Ченга фінансувалося Національними інститутами охорони здоров'я, Національним науковим фондом, Університетом штату Пенсильванія та Китайським національним фондом природничих наук.