Viskonsinas Universitātes Medisonas inženieri ir izstrādājuši lētus augsnes sensorus

Augsnes zinātnes doktorants Šuohao Cai Viskonsinas-Medisonas Universitātes Hancockas Lauksaimniecības pētniecības stacijā ievieto sensoru stieni ar daudzfunkcionālu sensoru uzlīmi, kas ļauj veikt mērījumus dažādos dziļumos augsnē.
MADISON — Viskonsinas Universitātes Medisonas inženieri ir izstrādājuši lētus sensorus, kas var nodrošināt nepārtrauktu nitrātu līmeņa monitoringu reāllaikā izplatītos Viskonsinas augsnes tipos. Šie drukātie elektroķīmiskie sensori var palīdzēt lauksaimniekiem pieņemt pamatotākus lēmumus par barības vielu pārvaldību un gūt ekonomiskus ieguvumus.
“Mūsu sensori var sniegt lauksaimniekiem labāku izpratni par augsnes uztura stāvokli un augiem pieejamo nitrātu daudzumu, palīdzot viņiem precīzāk izlemt, cik daudz mēslojuma viņiem patiesībā ir nepieciešams,” sacīja Džozefs Endrjūss, Hārvarda Universitātes docents. Pētījumu vadīja Viskonsinas-Medisonas Universitātes Mehānikas inženierijas skola. “Ja viņi varētu samazināt iegādājamā mēslojuma daudzumu, izmaksu ietaupījums varētu būt ievērojams lielākām saimniecībām.”
Nitrāti ir būtiska barības viela kultūraugu augšanai, taču nitrātu pārpalikums var izskaloties no augsnes un nonākt gruntsūdeņos. Šāda veida piesārņojums ir kaitīgs cilvēkiem, kas dzer piesārņotu aku ūdeni, un ir kaitīgs videi. Pētnieku jauno sensoru varētu izmantot arī kā lauksaimniecības pētniecības instrumentu, lai uzraudzītu nitrātu izskalošanos un palīdzētu izstrādāt labāko praksi tās kaitīgās ietekmes mazināšanai.
Pašreizējās augsnes nitrātu monitoringa metodes ir darbietilpīgas, dārgas un nesniedz datus reāllaikā. Tāpēc drukātās elektronikas eksperts Endrjūss un viņa komanda nolēma radīt labāku un lētāku risinājumu.
Šajā projektā pētnieki izmantoja tintes printera drukas procesu, lai izveidotu potenciometrisku sensoru, kas ir plānslāņa elektroķīmiskā sensora veids. Potenciometriskos sensorus bieži izmanto, lai precīzi mērītu nitrātu daudzumu šķidros šķīdumos. Tomēr šie sensori parasti nav piemēroti lietošanai augsnes vidē, jo lielas augsnes daļiņas var saskrāpēt sensorus un traucēt precīzus mērījumus.
"Galvenais izaicinājums, ko mēs centāmies atrisināt, bija atrast veidu, kā panākt, lai šie elektroķīmiskie sensori pareizi darbotos skarbos augsnes apstākļos un precīzi noteiktu nitrātu jonus," sacīja Endrjūss.
Komandas risinājums bija uz sensora uzklāt polivinilidēnfluorīda slāni. Pēc Endrjūsa teiktā, šim materiālam ir divas galvenās īpašības. Pirmkārt, tam ir ļoti sīkas poras, aptuveni 400 nanometru lielumā, kas ļauj nitrātu joniem iziet cauri, vienlaikus bloķējot augsnes daļiņas. Otrkārt, tas ir hidrofils, tas ir, tas piesaista ūdeni un absorbē to kā sūklis.
“Tātad jebkurš nitrātiem bagāts ūdens priekšroku iesūksies mūsu sensoros, kas ir patiešām svarīgi, jo augsne ir kā sūklis, un jūs zaudēsiet cīņā par mitruma iekļūšanu sensorā, ja nevarēsiet panākt tādu pašu ūdens absorbciju. Augsnes potenciāls,” sacīja Endrjūss. “Šīs polivinilidēnfluorīda slāņa īpašības ļauj mums iegūt nitrātiem bagātu ūdeni, nogādāt to uz sensora virsmas un precīzi noteikt nitrātus.”
Pētnieki sīki aprakstīja savu progresu rakstā, kas publicēts 2024. gada martā žurnālā "Advanced Materials Technology".
Komanda pārbaudīja savu sensoru divos dažādos augsnes veidos, kas saistīti ar Viskonsinu — smilšainās augsnēs, kas izplatītas štata ziemeļu centrālajā daļā, un dūņainajās augsnēs, kas izplatītas Viskonsinas dienvidrietumos —, un atklāja, ka sensori sniedza precīzus rezultātus.
Pētnieki tagad integrē savu nitrātu sensoru daudzfunkcionālā sensoru sistēmā, ko viņi sauc par "sensoru uzlīmi", kurā trīs dažādu veidu sensori ir piestiprināti pie elastīgas plastmasas virsmas, izmantojot līmējošu pamatni. Uzlīmes satur arī mitruma un temperatūras sensorus.
Pētnieki piestiprinās vairākas sensorās uzlīmes pie staba, novietos tās dažādos augstumos un pēc tam ieraks stabu augsnē. Šī iekārta ļāva viņiem veikt mērījumus dažādos augsnes dziļumos.
"Mērot nitrātus, mitrumu un temperatūru dažādos dziļumos, mēs tagad varam kvantitatīvi noteikt nitrātu izskalošanās procesu un saprast, kā nitrāti pārvietojas augsnē, kas iepriekš nebija iespējams," sacīja Endrjūss.
2024. gada vasarā pētnieki plāno ievietot 30 sensoru stieņus augsnē Hancockas Lauksaimniecības pētījumu stacijā un Arlingtonas Lauksaimniecības pētījumu stacijā Viskonsinas-Medisonas Universitātē, lai turpinātu sensora testēšanu.