Shuohao Cai, doktorsnemi í jarðvegsfræði, setur skynjarastöng með fjölnota skynjaralímmiða sem gerir kleift að mæla á mismunandi dýpi ofan í jarðveginn við landbúnaðarrannsóknarstöðina við Háskólann í Wisconsin-Madison Hancock.
MADISON — Verkfræðingar við Háskólann í Wisconsin-Madison hafa þróað ódýra skynjara sem geta veitt stöðuga rauntíma eftirlit með nítrati í algengum jarðvegsgerðum í Wisconsin. Þessir prentuðu rafefnafræðilegu skynjarar geta hjálpað bændum að taka upplýstari ákvarðanir um næringarefnastjórnun og ná efnahagslegum ávinningi.
„Skynjarar okkar geta gefið bændum betri skilning á næringarstöðu jarðvegs þeirra og magni nítrats sem er tiltækt fyrir plöntur þeirra, sem hjálpar þeim að ákvarða nákvæmar hversu mikinn áburð þeir þurfa í raun,“ sagði Joseph Andrews, dósent við Harvard-háskóla. Rannsóknin var leidd af vélaverkfræðideild Háskólans í Wisconsin-Madison. „Ef þeir geta dregið úr magni áburðar sem þeir kaupa gæti kostnaðarsparnaðurinn verið verulegur fyrir stærri býli.“
Nítröt eru nauðsynleg næringarefni fyrir vöxt uppskeru, en umfram nítröt geta lekið úr jarðveginum og borist í grunnvatn. Þessi tegund mengunar er skaðleg fólki sem drekkur mengað brunnvatn og er skaðleg umhverfinu. Nýi skynjari vísindamannanna gæti einnig verið notaður sem rannsóknartæki í landbúnaði til að fylgjast með nítratútskolun og hjálpa til við að þróa bestu starfsvenjur til að draga úr skaðlegum áhrifum þess.
Núverandi aðferðir til að fylgjast með nítrati í jarðvegi eru vinnuaflsfrekar, dýrar og veita ekki rauntímagögn. Þess vegna settu Andrews, sérfræðingur í prentrafeindatækni, og teymi hans sig fram um að búa til betri og ódýrari lausn.
Í þessu verkefni notuðu vísindamennirnir bleksprautuprentunarferli til að búa til spennumæli, sem er tegund af þunnfilmu rafefnafræðilegum skynjara. Spennumælir eru oft notaðir til að mæla nákvæmlega nítrat í fljótandi lausnum. Hins vegar eru þessir skynjarar almennt ekki hentugir til notkunar í jarðvegsumhverfi þar sem stórar jarðvegsagnir geta rispað skynjarana og komið í veg fyrir nákvæmar mælingar.
„Helsta áskorunin sem við vorum að reyna að leysa var að finna leið til að fá þessa rafefnafræðilegu skynjara til að virka rétt í erfiðum jarðvegsskilyrðum og greina nítratjónir nákvæmlega,“ sagði Andrews.
Lausn teymisins var að setja lag af pólývínýlídenflúoríði á skynjarann. Samkvæmt Andrews hefur þetta efni tvo lykileiginleika. Í fyrsta lagi hefur það mjög örsmá svitaholur, um 400 nanómetra að stærð, sem leyfa nítratjónum að fara í gegn en loka fyrir jarðvegsagnir. Í öðru lagi er það vatnssækið, það er að segja, það dregur að sér vatn og gleypir það eins og svampur.
„Þannig að allt nítratríkt vatn mun helst síast inn í skynjarana okkar, sem er mjög mikilvægt því jarðvegur er líka eins og svampur og þú munt tapa baráttunni gegn raka í skynjaranum ef þú nærð ekki sömu vatnsupptöku. Möguleikar jarðvegsins,“ sagði Andrews. „Þessir eiginleikar pólývínýlídenflúoríðlagsins gera okkur kleift að draga út nítratríkt vatn, koma því á yfirborð skynjarans og greina nítrat nákvæmlega.“
Rannsakendurnir lýstu framvindu sinni í grein sem birtist í mars 2024 í tímaritinu Advanced Materials Technology.
Teymið prófaði skynjarann sinn á tveimur mismunandi jarðvegsgerðum sem tengjast Wisconsin — sandríkum jarðvegi, sem er algengur í norður-miðhluta fylkisins, og leirkenndum leirjarðvegi, sem er algengur í suðvesturhluta Wisconsin — og komst að því að skynjararnir gáfu nákvæmar niðurstöður.
Rannsakendurnir eru nú að samþætta nítratskynjarann sinn í fjölnota skynjarakerfi sem þeir kalla „skynjaralímmiða“, þar sem þrjár mismunandi gerðir skynjara eru festar á sveigjanlegt plastyfirborð með límmiða. Límmiðarnir innihalda einnig raka- og hitaskynjara.
Rannsakendur munu festa nokkra skynjunarlímmiða á staur, setja þá í mismunandi hæð og grafa síðan staurinn í jarðveginn. Þessi uppsetning gerði þeim kleift að taka mælingar á mismunandi jarðvegsdýpi.
„Með því að mæla nítrat, raka og hitastig á mismunandi dýpi getum við nú magngreint útskolun nítrats og skilið hvernig nítrat berst í gegnum jarðveginn, sem var ekki mögulegt áður,“ sagði Andrews.
Sumarið 2024 hyggjast vísindamennirnir setja 30 skynjara í jarðveg við Hancock landbúnaðarrannsóknarstöðvarnar og Arlington landbúnaðarrannsóknarstöðvarnar við Háskólann í Wisconsin-Madison til að prófa skynjarann frekar.
Birtingartími: 9. júlí 2024