Nuovi sensori del suolo potrebbero migliorare l'efficienza della fertilizzazione delle colture

I fertilizzanti contenenti azoto vengono utilizzati per aumentare la produzione alimentare, ma le loro emissioni possono inquinare l'ambiente. Per massimizzare l'uso delle risorse, aumentare le rese agricole e ridurre i rischi ambientali, è essenziale il monitoraggio continuo e in tempo reale delle proprietà del suolo, come la temperatura del suolo e le emissioni di fertilizzanti. Un sensore multiparametrico è necessario per l'agricoltura intelligente o di precisione per monitorare le emissioni di gas NOx e la temperatura del suolo e ottenere la migliore fertilizzazione.

James L. Henderson, Jr. Memorial Professore associato di Ingegneria e Meccanica presso la Penn State Huanyu “Larry” Cheng ha guidato lo sviluppo di un sensore multiparametrico che separa con successo i segnali di temperatura e azoto per consentire una misurazione accurata di ciascuno.

Cheng ha detto:"Per una fertilizzazione efficiente, è necessario un monitoraggio continuo e in tempo reale delle condizioni del suolo, in particolare dell'utilizzo dell'azoto e della temperatura del suolo. Questo è essenziale per valutare la salute delle colture, ridurre l'inquinamento ambientale e promuovere un'agricoltura sostenibile e di precisione."

Lo studio mira a impiegare la quantità appropriata per ottenere la migliore resa delle colture. La produzione potrebbe essere inferiore se si utilizzasse più azoto. Quando si applica un eccesso di fertilizzante, questo viene sprecato, le piante possono bruciare e si rilasciano nell'ambiente fumi tossici di azoto. Gli agricoltori possono raggiungere i livelli ideali di fertilizzante per la crescita delle piante con l'aiuto di un'accurata rilevazione dei livelli di azoto.

Il coautore Li Yang, professore presso la Facoltà di Intelligenza Artificiale dell'Università Tecnologica di Hebei in Cina, ha affermato:"La crescita delle piante è influenzata anche dalla temperatura, che influenza i processi fisici, chimici e microbiologici nel suolo. Il monitoraggio continuo consente agli agricoltori di sviluppare strategie e interventi quando le temperature sono troppo calde o troppo fredde per le loro colture."

Secondo Cheng, raramente vengono segnalati meccanismi di rilevamento in grado di ottenere misurazioni indipendenti di azoto e temperatura. Sia i gas che la temperatura possono causare variazioni nella lettura della resistenza del sensore, rendendo difficile distinguerli.

Il team di Cheng ha creato un sensore ad alte prestazioni in grado di rilevare la perdita di azoto indipendentemente dalla temperatura del suolo. Il sensore è realizzato in schiuma di grafene drogata con ossido di vanadio e indotta tramite laser, ed è stato scoperto che i complessi metallici droganti nel grafene migliorano l'adsorbimento dei gas e la sensibilità di rilevamento.

Poiché una membrana morbida protegge il sensore e impedisce la permeazione dell'azoto, il sensore reagisce esclusivamente alle variazioni di temperatura. Il sensore può essere utilizzato anche senza incapsulamento e a temperature più elevate.

Ciò consente una misurazione accurata dell'azoto gassoso, escludendo gli effetti dell'umidità relativa e della temperatura del suolo. Temperatura e azoto gassoso possono essere completamente disaccoppiati e senza interferenze utilizzando sensori incapsulati e non incapsulati.

Il ricercatore ha affermato che disaccoppiando i cambiamenti di temperatura e le emissioni di gas azoto si potrebbero creare e implementare dispositivi multimodali con meccanismi di rilevamento disaccoppiati per l'agricoltura di precisione in tutte le condizioni meteorologiche.

Cheng ha affermato: "La capacità di rilevare simultaneamente concentrazioni di ossido di azoto estremamente basse e piccole variazioni di temperatura apre la strada allo sviluppo di futuri dispositivi elettronici multimodali con meccanismi di rilevamento disaccoppiati per l'agricoltura di precisione, il monitoraggio della salute e altre applicazioni".

La ricerca di Cheng è stata finanziata dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation, dalla Penn State e dalla Chinese National Natural Science Foundation.