Nuovi sensori per il 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'utilizzo 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 NOx e la temperatura del suolo al fine di ottimizzare la fertilizzazione.

Huanyu "Larry" Cheng, professore associato di ingegneria e meccanica presso la Penn State e titolare della cattedra James L. Henderson, Jr., ha guidato lo sviluppo di un sensore multiparametrico in grado di separare con successo i segnali di temperatura e azoto, consentendo così una misurazione accurata di entrambi.

Cheng ha detto:“Per una fertilizzazione efficace, è necessario un monitoraggio continuo e in tempo reale delle condizioni del suolo, in particolare dell'utilizzo dell'azoto e della temperatura del terreno. Questo è fondamentale per valutare lo stato di salute delle colture, ridurre l'inquinamento ambientale e promuovere un'agricoltura sostenibile e di precisione.”

Lo studio si propone di utilizzare la quantità appropriata di fertilizzante per ottenere la massima resa del raccolto. La produzione agricola potrebbe essere inferiore rispetto a quella che si otterrebbe con un eccesso di azoto. Un'applicazione eccessiva di fertilizzante comporta sprechi, il rischio di bruciature per le piante e il rilascio di fumi tossici di azoto nell'ambiente. Grazie a un'accurata misurazione del livello di azoto, gli agricoltori possono raggiungere i livelli ideali di fertilizzante per la crescita delle piante.

Il coautore Li Yang, professore presso la Scuola di Intelligenza Artificiale dell'Università di Tecnologia di Hebei, in Cina, ha affermato:“La crescita delle piante è influenzata anche dalla temperatura, che a sua volta incide sui processi fisici, chimici e microbiologici del suolo. Il monitoraggio continuo consente agli agricoltori di sviluppare strategie e interventi quando le temperature sono troppo alte o troppo basse per le loro colture.”

Secondo Cheng, i meccanismi di rilevamento in grado di ottenere misurazioni di azoto gassoso e temperatura in modo indipendente l'una dall'altra sono raramente descritti. Sia il 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 indotta da laser e drogata con ossido di vanadio, ed è stato scoperto che il drogaggio del grafene con complessi metallici migliora l'assorbimento dei gas e la sensibilità di rilevamento.

Grazie alla membrana morbida che 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 a temperature più elevate.

Ciò consente una misurazione accurata dell'azoto gassoso escludendo gli effetti dell'umidità relativa e della temperatura del suolo. La temperatura e l'azoto gassoso possono essere completamente disaccoppiati e privi di interferenze utilizzando sensori sia incapsulati che non incapsulati.

Il ricercatore ha affermato che la separazione tra le variazioni di temperatura e le emissioni di azoto gassoso potrebbe essere utilizzata per 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 estremamente basse di ossido di azoto 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 dai National Institutes of Health, dalla National Science Foundation, dalla Penn State e dalla Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali.