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 i rendimenti agricoli 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 per la migliore fertilizzazione.

James L. Henderson, Jr. Memorial Professore associato di Ingegneria, Scienze 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.Ciò 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 la migliore resa del raccolto.La produzione del raccolto potrebbe essere inferiore a quella che potrebbe essere se viene utilizzata più azoto.Quando il fertilizzante viene applicato in quantità eccessiva, viene sprecato, le piante possono bruciare e i fumi di azoto tossici vengono rilasciati nell’ambiente.Gli agricoltori possono raggiungere i livelli ideali di fertilizzante per la crescita delle piante con l'aiuto di un accurato rilevamento del livello di azoto.

Il coautore Li Yang, professore alla Scuola di Intelligenza Artificiale dell'Università di Tecnologia cinese di Hebei, 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 i loro raccolti”.

Secondo Cheng, i meccanismi di rilevamento in grado di ottenere misurazioni di azoto e temperatura indipendenti l'uno dall'altro sono raramente riportati.Sia i gas che la temperatura possono causare variazioni nella lettura della resistenza del sensore, rendendo difficile la loro distinzione.

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 dal laser, ed è stato scoperto che il drogaggio dei complessi metallici nel grafene migliora l'adsorbimento del gas e la sensibilità di rilevamento.

Poiché una membrana morbida protegge il sensore e impedisce la permeazione del gas azoto, il sensore reagisce esclusivamente alle variazioni di temperatura.Il sensore può essere utilizzato anche senza incapsulamento e ad una temperatura più elevata.

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

Il ricercatore ha affermato che il disaccoppiamento dei cambiamenti di temperatura e delle emissioni di gas di azoto potrebbe essere utilizzato per creare e implementare dispositivi multimodali con meccanismi di rilevamento disaccoppiati per l’agricoltura di precisione in tutte le condizioni atmosferiche.

Cheng ha affermato: “La capacità di rilevare simultaneamente concentrazioni ultrabasse di ossido di azoto e piccoli cambiamenti di temperatura apre la strada allo sviluppo di futuri dispositivi elettronici multimodali con meccanismi di rilevamento disaccoppiati per l’agricoltura di precisione, il monitoraggio sanitario 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.