A talaj hőmérsékletének és nitrogénszintjének mérése fontos a mezőgazdaság számára, de a két tényezőt egymástól függetlenül nehéz kimutatni.
Huanyu „Larry” Cheng és James L. Henderson, a Penn State Egyetem Műszaki Tudományok és Mechanikai Tanszékének egyetemi docense, a kutatókat egy olyan többparaméteres érzékelő kidolgozásában segítette, amely hatékonyan szétválasztja a hőmérséklet és a nitrogén jeleit, így lehetővé téve mindkét érték pontos meghatározását. Az eredményeket a közelmúltban az Advanced Materials című folyóiratban tették közzé.
A hatékony trágyázás érdekében szükség van a talaj állapotának folyamatos és valós idejű nyomon követésére, különösen a nitrogénfelhasználás és a talajhőmérséklet tekintetében. Ez elengedhetetlen a termés egészségi állapotának felméréséhez, a környezetszennyezés csökkentéséhez, valamint a fenntartható és precíziós mezőgazdasági termelés előmozdításához
– mondta Cheng.
A nitrogén műtrágyaként való alkalmazása bevett gyakorlat a mezőgazdaságban, ahol a cél az, hogy a legjobb terméshozam érdekében az optimális mennyiséget használjuk fel. Ha túl kevés nitrogént használunk, a terméshozam elmaradhat az optimálistól. Ha túl sokat használunk, a műtrágya elpazarolódik, a növények eléghetnek, és káros nitrogéngázok kerülnek a környezetbe. A nitrogénszint – pontosabban a nitrogén gáz formájában történő elvesztésének – pontos kimutatása segíthet a termelőknek abban, hogy megtalálják a növények növekedéséhez szükséges optimális műtrágyázási szintet.
A növények növekedését a hőmérséklet is befolyásolja, amely hatással van a talajban zajló fizikai, kémiai és mikrobiológiai folyamatokra
– hangsúlyozta a kutatás másik résztvevője, Li Yang, a kínai Hebei Műszaki Egyetem Mesterséges Intelligencia Tanszékének professzora.
A folyamatos megfigyelés lehetővé teszi a gazdák számára, hogy megfelelő stratégiákat és beavatkozásokat dolgozzanak ki olyan esetekre, amikor a hőmérséklet túl magas vagy túl alacsony lenne a növények számára.
Sajnos mind a gázok, mind a hőmérséklet – a relatív páratartalom ingadozásával együtt – változásokat okozhatnak a szenzor által leolvasott ellenállás értékeiben, így a szenzor nem tudja őket megkülönböztetni egymástól. Cheng szerint ritkán számolnak be olyan érzékelőkről, amelyek a nitrogéntartalmú gázok és a hőmérséklet egymástól független mérésére képesek.
Cheng csapata olyan nagy teljesítményű érzékelőt tervezett és gyártott, amely teljesen szétválasztja a nitrogénveszteség és a talajhőmérséklet érzékelését. A többparaméteres érzékelő vanádium-oxiddal adalékolt, lézerrel indukált grafénhabon alapul. A vanádium-oxid képes adszorbeálni és kölcsönhatásba lépni a nitrogéngázokkal, és a grafén fémkomplexek adagolásával a gázadszorpció és a detektálás érzékenysége is javul.
Az érzékelőt egy puha membránba burkolták, amely megakadályozza a nitrogénkeringést, így az érzékelő csak a hőmérséklet-változásokra reagál. Ráadásul a burkolat eltávolítható, és az érzékelőt magasabb hőmérsékleten is lehet működtetni. Ezáltal megszüntethető a talaj relatív páratartalmának és hőmérsékletének befolyásoló hatása, ami lehetővé teszi a nitrogéngáz pontos mérését. A beburkolt érzékelő és a burkolatlan érzékelő kombinációja teljes mértékben szétválaszthatja a hőmérséklet és a nitrogéngáz közötti interferencia nélküli kapcsolatot.
A hőmérséklet-változások és a nitrogéngáz-kibocsátás szétválasztása Cheng szerint felhasználható a szétválasztott érzékelő mechanizmusokkal rendelkező multimodális eszközök tervezéséhez és alkalmazásához a precíziós mezőgazdaságban, valamennyi időjárási feltétel mellett.
Az ultra-alacsony nitrogén-oxid-koncentráció és az alacsony hőmérséklet-változások egyidejű észlelésére való képesség megnyitja az utat a jövőbeli multimodális elektronikus eszközök fejlesztése előtt, amelyek a precíziós mezőgazdaság, az egészségmegőrzés és más alkalmazások számára függetlenített érzékelési mechanizmusokkal rendelkeznek
– jelentette ki Cheng.
Forrás: https://phys.org/news/2023-03-soil-sensor-efficiency-crop-fertilization.html
