Nya jordsensorer kan förbättra effektiviteten i gödsling av grödor

Gödselmedel som innehåller kväve används för att öka livsmedelsproduktionen, men deras utsläpp kan förorena miljön. För att maximera resursanvändningen, öka jordbruksavkastningen och minska miljöriskerna är kontinuerlig övervakning i realtid av markegenskaper, såsom marktemperatur och gödselutsläpp, avgörande. En flerparametersensor är nödvändig för smart eller precisionsjordbruk för att spåra NOx-gasutsläpp och marktemperatur för bästa gödsling.

James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor i teknikvetenskap och mekanik vid Penn State. Huanyu ”Larry” Cheng ledde utvecklingen av en multiparametersensor som framgångsrikt separerar temperatur- och kvävesignaler för att möjliggöra noggrann mätning av var och en.

Cheng sade,”För effektiv gödsling behövs kontinuerlig och realtidsövervakning av markförhållandena, särskilt kväveutnyttjande och marktemperatur. Detta är avgörande för att utvärdera grödors hälsa, minska miljöföroreningar och främja hållbart precisionsjordbruk.”

Studien syftar till att använda lämplig mängd för bästa möjliga skörd. Grödans produktion kan bli lägre än den kan vara om mer kväve används. När gödselmedel appliceras för mycket går det till spillo, växter kan bränna och giftiga kväveångor släpps ut i miljön. Jordbrukare kan nå de ideala nivåerna av gödselmedel för växternas tillväxt med hjälp av noggrann kvävenivåmätning.

Medförfattaren Li Yang, professor vid skolan för artificiell intelligens vid Kinas Hebei University of Technology, sa:”Växttillväxt påverkas också av temperaturen, vilket påverkar de fysikaliska, kemiska och mikrobiologiska processerna i jorden. Kontinuerlig övervakning gör det möjligt för jordbrukare att utveckla strategier och interventioner när temperaturen är för hög eller för låg för deras grödor.”

Enligt Cheng rapporteras det sällan om sensorer som kan mäta kvävgas och temperatur oberoende av varandra. Både gaser och temperatur kan orsaka variationer i sensorns resistansavläsning, vilket gör det svårt att skilja mellan dem.

Chengs team skapade en högpresterande sensor som kan detektera kväveförlust oberoende av marktemperatur. Sensorn är tillverkad av vanadinoxiddopat, laserinducerat grafenskum, och det har upptäckts att dopning av metallkomplex i grafen förbättrar gasadsorption och detektionskänslighet.

Eftersom ett mjukt membran skyddar sensorn och förhindrar kvävgaspermeation reagerar sensorn endast på temperaturförändringar. Sensorn kan även användas utan inkapsling och vid högre temperatur.

Detta möjliggör noggrann mätning av kvävgasen genom att utesluta effekterna av relativ fuktighet och marktemperatur. Temperatur och kvävgas kan separeras helt och störningsfritt med hjälp av de medföljande och icke-inkapslade sensorerna.

Forskaren sa att frikopplingen av temperaturförändringar och kvävgasutsläpp skulle kunna användas för att skapa och implementera multimodala enheter med frikopplade sensormekanismer för precisionsjordbruk under alla väderförhållanden.

Cheng sa: ”Möjligheten att samtidigt detektera ultralåga kväveoxidkoncentrationer och små temperaturförändringar banar väg för utvecklingen av framtida multimodala elektroniska enheter med frikopplade sensormekanismer för precisionsjordbruk, hälsoövervakning och andra tillämpningar.”

Chengs forskning finansierades av National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State och Chinese National Natural Science Foundation.