Novos sensores de solo poderían mellorar a eficiencia da fertilización dos cultivos

Os fertilizantes que conteñen nitróxeno utilízanse para aumentar a produción de alimentos, pero as súas emisións poden contaminar o medio ambiente. Para maximizar o uso dos recursos, aumentar o rendemento agrícola e reducir os riscos ambientais, é esencial unha monitorización continua e en tempo real das propiedades do solo, como a temperatura do solo e a emisión de fertilizantes. Un sensor multiparámetro é necesario para que a agricultura intelixente ou de precisión rastrexe as emisións de gases NOX e a temperatura do solo para obter a mellor fertilización.

James L. Henderson, Jr., profesor asociado de Ciencias da Enxeñaría e Mecánica na Universidade Estatal de Penn, Huanyu “Larry” Cheng, dirixiu o desenvolvemento dun sensor multiparámetro que separa con éxito os sinais de temperatura e nitróxeno para permitir unha medición precisa de cada un.

Cheng dixo,"Para unha fertilización eficiente, é necesario un seguimento continuo e en tempo real das condicións do solo, concretamente da utilización do nitróxeno e da temperatura do solo. Isto é esencial para avaliar a saúde dos cultivos, reducir a contaminación ambiental e promover unha agricultura sostible e de precisión."

O estudo ten como obxectivo empregar a cantidade axeitada para obter o mellor rendemento da colleita. A produción da colleita pode ser menor que se se usa máis nitróxeno. Cando se aplica fertilizante en exceso, este desperdiciase, as plantas poden arder e libéranse fumes tóxicos de nitróxeno ao medio ambiente. Os agricultores poden alcanzar os niveis ideais de fertilizante para o crecemento das plantas coa axuda dunha detección precisa do nivel de nitróxeno.

O coautor Li Yang, profesor da Escola de Intelixencia Artificial da Universidade Tecnolóxica de Hebei, en China, afirmou:"O crecemento das plantas tamén se ve afectado pola temperatura, que inflúe nos procesos físicos, químicos e microbiolóxicos do solo. A monitorización continua permite aos agricultores desenvolver estratexias e intervencións cando as temperaturas son demasiado altas ou demasiado frías para os seus cultivos."

Segundo Cheng, raramente se rexistran mecanismos de detección que poidan obter medicións de nitróxeno gasoso e temperatura independentes entre si. Tanto os gases como a temperatura poden causar variacións na lectura de resistencia do sensor, o que dificulta a súa distinción.

O equipo de Cheng creou un sensor de alto rendemento que pode detectar a perda de nitróxeno independentemente da temperatura do solo. O sensor está feito de escuma de grafeno inducida por láser dopada con óxido de vanadio, e descubriuse que os complexos metálicos dopantes no grafeno melloran a adsorción de gases e a sensibilidade da detección.

Dado que unha membrana branda protexe o sensor e impide a permeación do gas nitróxeno, o sensor reacciona unicamente aos cambios de temperatura. O sensor tamén se pode usar sen encapsulamento e a unha temperatura máis alta.

Isto permite unha medición precisa do gas nitróxeno ao excluír os efectos da humidade relativa e a temperatura do solo. A temperatura e o gas nitróxeno pódense desacoplar totalmente e sen interferencias usando os sensores incluídos e non encapsulados.

O investigador afirmou que o desacoplamento dos cambios de temperatura e as emisións de gas nitróxeno podería empregarse para crear e implementar dispositivos multimodais con mecanismos de detección desacoplados para a agricultura de precisión en calquera condición meteorolóxica.

Cheng afirmou: «A capacidade de detectar simultaneamente concentracións ultrabaixas de óxido de nitróxeno e pequenos cambios de temperatura abre o camiño para o desenvolvemento de futuros dispositivos electrónicos multimodais con mecanismos de detección desacoplados para a agricultura de precisión, a monitorización da saúde e outras aplicacións».

A investigación de Cheng foi financiada polos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundación Nacional de Ciencias, Penn State e a Fundación Nacional de Ciencias Naturais Chinesa.