Wisconsinin yliopiston Madisonin insinöörit ovat kehittäneet edullisia maaperän sensoreita

Maaperätieteiden tohtoriopiskelija Shuohao Cai asettaa monitoimianturitarralla varustetun anturitangon maaperään Wisconsinin yliopiston Madisonin Hancockin maataloustutkimusasemalla. Tarra mahdollistaa mittaukset eri syvyyksillä.
MADISON — Wisconsinin yliopiston Madisonin insinöörit ovat kehittäneet edullisia antureita, jotka pystyvät jatkuvasti ja reaaliajassa seuraamaan nitraattipitoisuutta yleisissä Wisconsinin maaperätyypeissä. Nämä painetut sähkökemialliset anturit voivat auttaa viljelijöitä tekemään tietoisempia ravinteiden hallintapäätöksiä ja saavuttamaan taloudellisia hyötyjä.
”Anturimme voivat antaa maanviljelijöille paremman käsityksen maaperänsä ravinnetilasta ja kasvien käytettävissä olevan nitraatin määrästä, mikä auttaa heitä päättämään tarkemmin, kuinka paljon lannoitetta he todella tarvitsevat”, sanoo Joseph Andrews, apulaisprofessori Harvardin yliopistosta. Tutkimusta johti Wisconsin-Madisonin yliopiston konetekniikan tiedekunta. ”Jos he voivat vähentää ostamiensa lannoitteiden määrää, kustannussäästöt voivat olla merkittäviä suuremmille tiloille.”
Nitraatit ovat välttämätön ravinne viljelykasvien kasvulle, mutta liiallinen nitraattimäärä voi liueta maaperästä ja päätyä pohjaveteen. Tällainen saastuminen on haitallista ihmisille, jotka juovat saastunutta kaivovettä, ja se on haitallista ympäristölle. Tutkijoiden uutta anturia voitaisiin käyttää myös maatalouden tutkimustyökaluna nitraattien huuhtoutumisen seurantaan ja parhaiden käytäntöjen kehittämiseen sen haitallisten vaikutusten lieventämiseksi.
Nykyiset maaperän nitraatin seurantamenetelmät ovat työläitä, kalliita eivätkä tarjoa reaaliaikaista tietoa. Siksi painetun elektroniikan asiantuntija Andrews ja hänen tiiminsä päättivät luoda paremman ja edullisemman ratkaisun.
Tässä projektissa tutkijat käyttivät mustesuihkutulostusprosessia luodakseen potentiometrisen anturin, eräänlaisen ohutkalvoisen sähkökemiallisen anturin. Potentiometrisiä antureita käytetään usein nitraatin tarkkaan mittaamiseen nestemäisissä liuoksissa. Nämä anturit eivät kuitenkaan yleensä sovellu käytettäväksi maaperässä, koska suuret maaperän hiukkaset voivat naarmuttaa antureita ja estää tarkat mittaukset.
"Suurin haaste, jonka yritimme ratkaista, oli löytää tapa saada nämä sähkökemialliset anturit toimimaan kunnolla ankarissa maaperäolosuhteissa ja havaitsemaan nitraatti-ioneja tarkasti", Andrews sanoi.
Tiimin ratkaisu oli asettaa anturin päälle polyvinyylideenifluoridikerros. Andrewsin mukaan tällä materiaalilla on kaksi keskeistä ominaisuutta. Ensinnäkin siinä on hyvin pienet, noin 400 nanometrin kokoiset huokoset, jotka päästävät nitraatti-ionit läpi ja estävät samalla maaperän hiukkasia. Toiseksi se on hydrofiilinen eli se vetää puoleensa vettä ja imee sen kuin sieni.
”Joten kaikki nitraattipitoinen vesi valuu ensisijaisesti antureihimme, mikä on todella tärkeää, koska maaperä on myös kuin sieni, ja jos et saa samaa vedenimeytymistä, häviät taistelun kosteuden pääsyssä anturiin. Maaperän potentiaali”, Andrews sanoi. ”Nämä polyvinyylideenifluoridikerroksen ominaisuudet mahdollistavat nitraattipitoisen veden erottamisen, sen toimittamisen anturin pinnalle ja nitraatin tarkan havaitsemisen.”
Tutkijat esittelivät edistymistään yksityiskohtaisesti maaliskuussa 2024 Advanced Materials Technology -lehdessä julkaistussa artikkelissa.
Tiimi testasi anturiaan kahdella eri Wisconsiniin liittyvällä maaperätyypillä – hiekkamailla, jotka ovat yleisiä osavaltion pohjois-keskisosissa, ja liejuisilla savimailla, jotka ovat yleisiä Wisconsinin lounaisosassa – ja havaitsi, että anturit tuottivat tarkkoja tuloksia.
Tutkijat integroivat nyt nitraattianturinsa monitoimiseen anturijärjestelmään, jota he kutsuvat "anturitarraksi". Siinä kolme erityyppistä anturia on kiinnitetty joustavalle muovipinnalle liimapintaisella alustalla. Tarrat sisältävät myös kosteus- ja lämpötila-antureita.
Tutkijat kiinnittävät useita aistitarroja tolppaan, asettavat ne eri korkeuksille ja hautaavat sitten tolpan maaperään. Tämä järjestely mahdollisti mittauksien tekemisen eri maaperän syvyyksillä.
"Mittaamalla nitraattia, kosteutta ja lämpötilaa eri syvyyksillä voimme nyt mitata nitraatin huuhtoutumisprosessia ja ymmärtää, miten nitraatti liikkuu maaperässä, mikä ei ollut aiemmin mahdollista", Andrews sanoi.
Tutkijat aikovat kesällä 2024 sijoittaa 30 anturisauvaa maaperään Hancockin ja Arlingtonin maataloustutkimusasemille Wisconsin-Madisonin yliopistoon anturin testaamiseksi jatkossa.