Нові датчики ґрунту можуть підвищити ефективність удобрення сільськогосподарських культур

Добрива, що містять азот, використовуються для збільшення виробництва продуктів харчування, але їх викиди можуть забруднювати навколишнє середовище.Для максимального використання ресурсів, підвищення врожайності сільського господарства та зниження ризиків для навколишнього середовища важливий постійний моніторинг властивостей ґрунту в реальному часі, таких як температура ґрунту та викид добрив.Багатопараметричний датчик необхідний для розумного або точного землеробства для відстеження викидів NOX і температури ґрунту для найкращого внесення добрив.

Джеймс Л. Хендерсон, доцент кафедри інженерних наук і механіки в Penn State Huanyu «Larry» Cheng, очолив розробку багатопараметричного датчика, який успішно розділяє сигнали температури та азоту, щоб забезпечити точне вимірювання кожного.

Ченг сказав,«Для ефективного внесення добрив необхідний постійний моніторинг стану ґрунту в режимі реального часу, зокрема використання азоту та температури ґрунту.Це важливо для оцінки здоров’я врожаю, зменшення забруднення навколишнього середовища та сприяння сталому та точному землеробству».

Дослідження спрямоване на використання відповідної кількості для отримання найкращої врожайності.Урожайність культури може бути нижчою, ніж може бути, якщо використовувати більше азоту.Коли добриво вноситься надмірно, воно витрачається, рослини можуть горіти, а токсичні пари азоту виділяються в навколишнє середовище.Фермери можуть досягти ідеальних рівнів добрив для росту рослин за допомогою точного визначення рівня азоту.

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

За словами Ченга, рідко повідомляють про механізми датчиків, які можуть отримувати вимірювання газу азоту та температури незалежно одне від одного.Як гази, так і температура можуть спричинити зміни в показниках опору датчика, ускладнюючи їх розрізнення.

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

Оскільки м’яка мембрана захищає датчик і запобігає проникненню газу азоту, датчик реагує виключно на зміни температури.Датчик також можна використовувати без інкапсуляції та при вищій температурі.

Це дозволяє точно вимірювати газоподібний азот, виключаючи вплив відносної вологості та температури ґрунту.Температуру та газоподібний азот можна повністю і без перешкод відокремити за допомогою закритих і неінкапсульованих датчиків.

Дослідник сказав, що відокремлення змін температури та викидів азоту можна використовувати для створення та впровадження мультимодальних пристроїв із роз’єднаними сенсорними механізмами для точного землеробства за будь-яких погодних умов.

Ченг сказав: «Можливість одночасно виявляти наднизькі концентрації оксиду азоту та невеликі зміни температури прокладає шлях для розробки майбутніх мультимодальних електронних пристроїв із роз’єднаними сенсорними механізмами для точного землеробства, моніторингу здоров’я та інших застосувань».

Дослідження Чена фінансувалося Національним інститутом здоров'я, Національним науковим фондом штату Пенсільванія та Китайським національним природничим фондом.