MADISON Ingeniører ved University of Wisconsin-Madison har utviklet rimelige jordsensorer

Shuohao Cai, en doktorgradsstudent i jordvitenskap, plasserer en sensorstav med et multifunksjonssensorklistremerke som tillater målinger på forskjellige dybder i jorden ved University of Wisconsin-Madison Hancock Agricultural Research Station.
MADISON — Ingeniører ved University of Wisconsin-Madison har utviklet rimelige sensorer som kan gi kontinuerlig sanntidsovervåking av nitrat i vanlige jordtyper i Wisconsin. Disse trykte elektrokjemiske sensorene kan hjelpe bønder med å ta mer informerte beslutninger om næringsstoffhåndtering og realisere økonomiske fordeler.
«Sensorene våre kan gi bønder en bedre forståelse av jordens næringsstatus og mengden nitrat som er tilgjengelig for plantene deres, noe som hjelper dem med å bestemme mer nøyaktig hvor mye gjødsel de faktisk trenger», sa Joseph Andrews, assisterende professor ved Harvard University. Studien ble ledet av School of Mechanical Engineering ved University of Wisconsin-Madison. «Hvis de kan redusere mengden gjødsel de kjøper, kan kostnadsbesparelsene være betydelige for større gårder.»
Nitrater er et essensielt næringsstoff for avlingsvekst, men overflødig nitrat kan lekke ut fra jorden og komme inn i grunnvannet. Denne typen forurensning er skadelig for folk som drikker forurenset brønnvann og er skadelig for miljøet. Forskernes nye sensor kan også brukes som et landbruksforskningsverktøy for å overvåke nitratutvasking og bidra til å utvikle beste praksis for å redusere dens skadelige effekter.
Nåværende metoder for overvåking av nitrat i jord er arbeidskrevende, dyre og gir ikke sanntidsdata. Derfor satte Andrews, ekspert på trykt elektronikk, og teamet hans seg fore å lage en bedre og rimeligere løsning.
I dette prosjektet brukte forskerne en blekkskriverprosess for å lage en potensiometrisk sensor, en type tynnfilms elektrokjemisk sensor. Potensiometriske sensorer brukes ofte til å måle nitrat nøyaktig i flytende løsninger. Imidlertid er disse sensorene generelt ikke egnet for bruk i jordmiljøer fordi store jordpartikler kan ripe opp sensorene og forhindre nøyaktige målinger.
«Hovedutfordringen vi prøvde å løse var å finne en måte å få disse elektrokjemiske sensorene til å fungere skikkelig under tøffe jordforhold og nøyaktig oppdage nitrationer», sa Andrews.
Teamets løsning var å legge et lag med polyvinylidenfluorid på sensoren. Ifølge Andrews har dette materialet to viktige egenskaper. For det første har det svært små porer, omtrent 400 nanometer store, som lar nitrationer passere gjennom samtidig som de blokkerer jordpartikler. For det andre er det hydrofilt, det vil si at det tiltrekker seg vann og absorberer det som en svamp.
«Så alt nitratrikt vann vil fortrinnsvis sive inn i sensorene våre, noe som er veldig viktig fordi jord også er som en svamp, og du kommer til å tape kampen mot fuktighet som trenger inn i sensoren hvis du ikke får samme vannabsorpsjon. Jordens potensial», sa Andrews. «Disse egenskapene til polyvinylidenfluoridlaget lar oss utvinne nitratrikt vann, levere det til sensoroverflaten og nøyaktig oppdage nitrat.»
Forskerne beskrev fremgangen sin i en artikkel publisert i mars 2024 i tidsskriftet Advanced Materials Technology.
Teamet testet sensoren sin på to forskjellige jordtyper assosiert med Wisconsin – sandholdig jord, vanlig i nord-sentrale deler av staten, og siltig leirjord, vanlig i sørvestlige Wisconsin – og fant ut at sensorene ga nøyaktige resultater.
Forskerne integrerer nå nitratsensoren sin i et multifunksjonelt sensorsystem de kaller et «sensorklistremerke», der tre forskjellige typer sensorer er montert på en fleksibel plastoverflate med en selvklebende bakside. Klistremerkene inneholder også fuktighets- og temperatursensorer.
Forskerne fester flere sensoriske klistremerker til en stolpe, plasserer dem i forskjellige høyder og graver deretter ned stolpen i jord. Dette oppsettet tillot dem å ta målinger på forskjellige jorddybder.
«Ved å måle nitrat, fuktighet og temperatur på forskjellige dybder, kan vi nå kvantifisere nitratutvaskingsprosessen og forstå hvordan nitrat beveger seg gjennom jorden, noe som ikke var mulig før», sa Andrews.
Sommeren 2024 planlegger forskerne å plassere 30 sensorstenger i jord ved Hancock Agricultural Research Station og Arlington Agricultural Research Station ved University of Wisconsin-Madison for å teste sensoren ytterligere.