Биоразлагаемые сенсоры для почвы могут помочь развитию цифрового сельского хозяйства

Исследователи разработали печатные биоразлагаемые почвенные сенсоры, которые можно компостировать в конце их жизненного цикла. Это может помочь фермерам повысить урожайность, одновременно сокращая количество электронных отходов.

Сенсоры, созданные инженерами из Университета Глазго совместно с коллегами из Института микроэлектроники и фотоники Лукасевича (IMiF), сделаны из электронных материалов, которые разлагаются на питательные вещества для растений, действуя как удобрение.

Исследование является ключевой разработкой в рамках более широкого международного проекта TESLA (Transient Electronics for Sustainable ICT in DigitaL Agriculture). Проект направлен на создание полной системы, в которой биоразлагаемые сенсоры питаются от солнечных элементов и суперконденсаторов, также сделанных из устойчивых материалов.

Модульный подход и устойчивость

Биоразлагаемые сенсоры сопряжены с обычной электроникой для мониторинга здоровья растений. Такой модульный подход повышает возможность повторного использования существующих электронных систем и значительно сокращает электронные отходы. Оценки воздействия на окружающую среду показывают, что работа электроники таким способом повышает устойчивость.

Эта архитектура применяется в «цифровом сельском хозяйстве» — новом подходе к земледелию, использующем сетевые сенсоры для мониторинга среды и роста культур. Однако современные сенсоры сделаны из не перерабатываемых материалов, что ведёт к росту вредных электронных отходов.

Технология изготовления и возможности

В статье в журнале ACS Applied Electronic Materials команда описывает создание сенсора из устойчивых материалов, объединяющего биоразлагаемый патч с многоразовым электронным модулем размером со спичечный коробок.

• Изготовление: Патчи сенсоров производятся методом трафаретной печати (аналогично печати на футболках) — это недорогой и энергоэффективный процесс.
• Материалы: Проводящие дорожки печатаются на биоразлагаемой полимерной подложке с использованием графен-углеродных чернил. Сверх наносится чувствительный слой из дисульфида молибдена. Все материалы естественным образом разлагаются на питательные вещества для растений.
• Функционал: Сенсоры чувствительны к изменениям pH и температуры, которые могут быть вызваны инфекциями у растений. Данные собираются электронным модулем и могут передаваться по беспроводной сети.

Результаты испытаний и перспективы

Лабораторные тесты показали, что сенсоры могут надёжно контролировать уровень pH почвы в диапазоне от pH 3 до pH 8 в течение двух недель. Также продемонстрирована способность обнаруживать следы этефона — широко используемого регулятора роста растений, токсичного для людей и дикой природы при загрязнении грунтовых вод.

Цитаты исследователей:

• Доктор Джозеф Кэмерон: «Надёжное производство продуктов питания — одна из самых насущных проблем мира... Цифровое сельское хозяйство может стать ключом к максимизации нашей способности производить достаточно пищи».
• Эндрю Ролло: «Наша система может значительно сократить углеродный след цифрового сельского хозяйства. Анализ показал, что замена сенсоров раз в три месяца может снизить воздействие системы на окружающую среду на 66%, а за пять лет — на 79% по сравнению с утилизацией всего устройства каждый раз».
• Профессор Джефф Кеттл: «Нам срочно нужно сделать цифровое сельское хозяйство более устойчивым... Мы стремимся расширить возможности нашего биоразлагаемого сенсора для обнаружения других ключевых показателей, включая чувствительность к «вечным химикатам», таким как PFA».