Инженеры Университета Висконсина–Madison разработали недорогие печатные датчики, которые позволяют осуществлять непрерывный мониторинг нитратов в типах почв, распространенных в Висконсине, в режиме реального времени.
Эти печатные датчики могут позволить фермерам принимать более обоснованные решения по управлению питательными веществами и получать экономические выгоды.
“Наши датчики могут дать фермерам лучшее понимание профиля питательных веществ в их почве и того, сколько нитратов доступно для растений, помогая им принимать более точные решения о том, сколько удобрений им действительно нужно, — объяснил Джозеф Эндрюс, доцент кафедры. машиностроение UW”Madison, который руководил исследованием.
“Если они смогут покупать меньше удобрений, экономия средств может быть весьма значительной на фермах большой площади.”
Мониторинг загрязнения нитратами с помощью датчиков
Хотя нитраты являются важным питательным веществом для выращивания сельскохозяйственных культур, избыток нитратов может выщелачиваться из почвы в грунтовые воды.
Загрязнение почвы опасно для людей, которые пьют загрязненную колодезную воду и вредно для окружающей среды.
Печатные датчики также можно использовать в качестве инструмента сельскохозяйственных исследований для мониторинга выщелачивания нитратов и помощи в разработке передового опыта по смягчению его вредного воздействия.
Преодоление проблем с анализом почвы
Современные методы мониторинга нитратов в почве трудоемки, дороги и не дают данных в режиме реального времени.
Для этого проекта исследователи использовали процесс струйной печати для изготовления потенциометрических датчиков — тонкопленочного электрохимического датчика.
Потенциометрические датчики обычно используются для точного измерения нитратов в жидких растворах. Однако эти датчики обычно не подходят для использования в почвенных средах, где крупные частицы почвы царапают их и мешают получению точных измерений.
Эндрюс сказал: “Основная задача, которую мы пытались решить, — это найти способ, позволяющий этим электрохимическим датчикам хорошо работать в суровых условиях почвы и точно чувствовать нитрат-ионы.”
Решением команды стало наложение слоя на датчик из поливинилиденфторида.
У него очень крошечные поры размером около 400 нанометров, которые пропускают ионы нитратов, блокируя частицы почвы. Также он гидрофилен, то есть притягивает воду и действует как губка, поглощая ее.
Коммерциализация датчиков
Команда протестировала свои датчики на двух разных типах почв, относящихся к почве Висконсин—санди, которая распространена в северо-центральной части штата, и суглинистой почве, которая распространена на юго-западе Висконсина—, и обнаружила, что датчики дают точные результаты.
В настоящее время исследователи включают свои печатные датчики в многофункциональную сенсорную систему, которую они называют ‘сенсорной наклейкой’. В этой системе три различных типа датчиков установлены на гибкой пластиковой поверхности с клеем на спине.
На стержень будет прикреплено несколько чувствительных наклеек, которые расположат их на разной высоте и закопают стержень в почву. Такая установка позволяет им проводить измерения на нескольких глубинах почвы.
“Измеряя нитраты, влажность и температуру на разных глубинах, мы теперь можем количественно оценить процесс выщелачивания нитратов и уловить, как нитраты движутся по почве, что раньше было невозможно, ” Эндрюс заключил.
