Печатные сенсоры в почве помогут фермерам повысить урожайность и экономить
Инженеры Университета Висконсин-Мэдисон разработали недорогие сенсоры для непрерывного мониторинга нитратов в почвах, типичных для Висконсина, в реальном времени. Эти печатные электрохимические сенсоры позволят фермерам принимать более обоснованные решения по управлению питательными веществами и получать экономическую выгоду.
"Наши сенсоры могут дать фермерам лучшее понимание питательного профиля их почвы и того, сколько нитратов доступно растениям, помогая принимать более точные решения о том, сколько удобрений им действительно нужно", — говорит Джозеф Эндрюс, доцент машиностроения. "Если они смогут покупать меньше удобрений, экономия затрат на крупных фермах может быть весьма значительной".
Хотя нитраты — важное питательное вещество, их избыток может вымываться из почвы в грунтовые воды, что опасно для людей и окружающей среды. Новые сенсоры также можно использовать как инструмент для мониторинга вымывания нитратов и выработки методов смягчения его последствий.
Решение для суровых условий
Исследователи использовали струйную печать для изготовления потенциометрических сенсоров. Обычно такие тонкопленочные электрохимические сенсоры не подходят для почвы, так как частицы грунта царапают их и мешают точным измерениям.
"Основная задача, которую мы пытались решить, — найти способ заставить эти электрохимические сенсоры хорошо работать в суровых условиях почвы", — поясняет Эндрюс.
Решение команды — нанесение на сенсор слоя из поливинилиденфторида. Этот материал имеет поры размером около 400 нанометров, которые пропускают ионы нитратов, но блокируют частицы почвы. Кроме того, он гидрофилен, то есть притягивает и впитывает воду, как губка.
"Любая вода, содержащая нитраты, впитывается в наш сенсор. Это очень важно, потому что почва тоже действует как губка, и вы проиграете битву за влагу, если не сможете соответствовать ее водопоглощающей способности", — говорит Эндрюс.
Исследование было опубликовано в марте 2024 года в журнале Advanced Material Technologies.
От лаборатории к полю
Сенсоры успешно протестировали в двух типах почв Висконсина: песчаной (северо-центральная часть штата) и суглинистой (юго-запад).
Сейчас команда интегрирует нитратные сенсоры в многофункциональную систему — "сенсорный стикер". На гибкую пластиковую основу с клейкой задней стороной крепятся три типа сенсоров: для нитратов, влажности и температуры.
Несколько таких стикеров размещают на стержне на разной высоте и закапывают его в почву. Это позволяет измерять параметры на разных глубинах.
"Измеряя нитраты, влажность и температуру на разных глубинах, мы можем количественно оценить процесс вымывания нитратов и понять, как они движутся в почве, что раньше было невозможно", — отмечает Эндрюс.
Летом 2024 года исследователи планируют расширенное тестирование, разместив 30 сенсорных стержней на опытных станциях UW–Madison в Хэнкоке и Арлингтоне.