Nye jordsensorer kan forbedre effektiviteten av gjødsling av avlinger

Gjødsel som inneholder nitrogen brukes til å øke matproduksjonen, men utslippene kan forurense miljøet. For å maksimere ressursbruken, øke landbruksavkastningen og redusere miljørisikoen, er kontinuerlig og sanntidsovervåking av jordegenskaper, som jordtemperatur og gjødselutslipp, avgjørende. En flerparametersensor er nødvendig for smart eller presisjonslandbruk for å spore NOX-gassutslipp og jordtemperatur for best mulig gjødsling.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor i ingeniørvitenskap og mekanikk ved Penn State. Huanyu «Larry» Cheng ledet utviklingen av en flerparametersensor som effektivt separerer temperatur- og nitrogensignaler for å muliggjøre nøyaktig måling av hver av dem.

Cheng sa,«For effektiv gjødsling er det behov for kontinuerlig og sanntidsovervåking av jordforholdene, spesielt nitrogenutnyttelse og jordtemperatur. Dette er viktig for å evaluere avlingenes helse, redusere miljøforurensning og fremme bærekraftig og presisjonsjordbruk.»

Studien tar sikte på å bruke riktig mengde for best mulig avkastning. Avlingens produksjon kan bli lavere enn den kan være hvis det brukes mer nitrogen. Når gjødsel brukes for mye, går den til spille, planter kan brenne seg, og giftige nitrogengasser slippes ut i miljøet. Bønder kan nå de ideelle gjødselnivåene for plantevekst ved hjelp av nøyaktig nitrogennivådeteksjon.

Medforfatter Li Yang, professor ved School of Artificial Intelligence ved Kinas Hebei University of Technology, sa:«Plantevekst påvirkes også av temperatur, som påvirker de fysiske, kjemiske og mikrobiologiske prosessene i jorda. Kontinuerlig overvåking gjør det mulig for bønder å utvikle strategier og tiltak når temperaturene er for høye eller for kalde for avlingene deres.»

Ifølge Cheng rapporteres det sjelden om sensormekanismer som kan oppnå målinger av nitrogengass og temperatur uavhengig av hverandre. Både gasser og temperatur kan forårsake variasjoner i sensorens motstandsavlesning, noe som gjør det vanskelig å skille mellom dem.

Chengs team skapte en høytytende sensor som kan oppdage nitrogentap uavhengig av jordtemperatur. Sensoren er laget av vanadiumoksiddopet, laserindusert grafenskum, og det har blitt oppdaget at doping av metallkomplekser i grafen forbedrer gassadsorpsjon og deteksjonsfølsomhet.

Fordi en myk membran beskytter sensoren og forhindrer nitrogengasspermeasjon, reagerer sensoren kun på temperaturendringer. Sensoren kan også brukes uten innkapsling og ved høyere temperatur.

Dette muliggjør nøyaktig måling av nitrogengassen ved å ekskludere effektene av relativ fuktighet og jordtemperatur. Temperatur og nitrogengass kan frakobles helt og støyfritt ved hjelp av de lukkede og uinnkapslede sensorene.

Forskeren sa at frakobling av temperaturendringer og nitrogengassutslipp kan brukes til å lage og implementere multimodale enheter med frakoblede sensormekanismer for presisjonslandbruk under alle værforhold.

Cheng sa: «Muligheten til å oppdage ultralave nitrogenoksidkonsentrasjoner og små temperaturendringer samtidig baner vei for utviklingen av fremtidige multimodale elektroniske enheter med frakoblede sensormekanismer for presisjonslandbruk, helseovervåking og andre applikasjoner.»

Chengs forskning ble finansiert av National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State og Chinese National Natural Science Foundation.