Wisconsini Ülikooli Madisoni insenerid on välja töötanud odavad mullasensorid

Mullateaduse doktorant Shuohao Cai paigutab Wisconsini-Madisoni ülikooli Hancocki põllumajandusuuringute jaamas pinnasesse sensorvarda, millel on multifunktsionaalne sensorkleebis, mis võimaldab mõõtmisi erinevatel sügavustel.
MADISON — Wisconsini-Madisoni ülikooli insenerid on välja töötanud odavad andurid, mis võimaldavad pidevalt ja reaalajas jälgida nitraadisisaldust tavalistes Wisconsini mullatüüpides. Need trükitud elektrokeemilised andurid aitavad põllumeestel teha teadlikumaid otsuseid toitainete haldamise kohta ja realiseerida majanduslikku kasu.
„Meie andurid annavad põllumeestele parema ülevaate oma mulla toiteväärtusest ja taimedele kättesaadava nitraadi hulgast, aidates neil täpsemalt otsustada, kui palju väetist nad tegelikult vajavad,“ ütles Joseph Andrews, Harvardi ülikooli dotsent. Uuringut juhtis Wisconsini-Madisoni ülikooli masinaehituse kool. „Kui nad suudavad vähendada ostetava väetise kogust, võib kulude kokkuhoid suuremate talude jaoks olla märkimisväärne.“
Nitraadid on põllukultuuride kasvuks hädavajalikud toitained, kuid liigsed nitraadid võivad pinnasest leostuda ja põhjavette sattuda. Selline saaste on kahjulik inimestele, kes joovad saastunud kaevuvett, ja on kahjulik keskkonnale. Teadlaste uut andurit saaks kasutada ka põllumajandusliku uurimisvahendina nitraatide leostumise jälgimiseks ja selle kahjulike mõjude leevendamise parimate tavade väljatöötamiseks.
Praegused mulla nitraadisisalduse jälgimise meetodid on töömahukad, kallid ega anna reaalajas andmeid. Seetõttu otsustas trükielektroonika ekspert Andrews ja tema meeskond luua parema ja odavama lahenduse.
Selles projektis kasutasid teadlased tindiprinteri protsessi, et luua potentsiomeetriline andur, mis on teatud tüüpi õhukese kilega elektrokeemiline andur. Potentsiomeetrilisi andureid kasutatakse sageli nitraadi täpseks mõõtmiseks vedelates lahustes. Need andurid ei sobi aga üldiselt pinnases kasutamiseks, kuna suured pinnaseosakesed võivad andureid kriimustada ja takistada täpseid mõõtmisi.
„Peamine väljakutse, mida me püüdsime lahendada, oli leida viis, kuidas panna need elektrokeemilised andurid korralikult töötama karmides pinnasetingimustes ja täpselt tuvastama nitraatioone,“ ütles Andrews.
Meeskonna lahendus oli asetada andurile polüvinülideenfluoriidi kiht. Andrewsi sõnul on sellel materjalil kaks peamist omadust. Esiteks on sellel väga pisikesed, umbes 400 nanomeetri suurused poorid, mis lasevad nitraadiioonidel läbi pääseda, blokeerides samal ajal mullaosakesi. Teiseks on see hüdrofiilne ehk tõmbab ligi vett ja imab seda nagu käsn.
„Seega imbub igasugune nitraadirikas vesi eelistatavalt meie anduritesse, mis on väga oluline, sest muld on samuti nagu käsn ja kui te ei saa samaväärset veeimavust, kaotate võitluse niiskuse sattumise osas andurisse. Pinnase potentsiaal,“ ütles Andrews. „Need polüvinülideenfluoriidi kihi omadused võimaldavad meil eraldada nitraadirikast vett, toimetada selle anduri pinnale ja täpselt nitraati tuvastada.“
Teadlased kirjeldasid oma edusamme 2024. aasta märtsis ajakirjas Advanced Materials Technology avaldatud artiklis.
Meeskond testis oma andurit kahel erineval Wisconsiniga seotud mullatüübil – liivasel pinnasel, mis on levinud osariigi põhja-keskosas, ja saviliival, mis on levinud Wisconsini edelaosas – ning leidis, et andurid andsid täpseid tulemusi.
Teadlased integreerivad nüüd oma nitraadisensorit multifunktsionaalsesse sensorsüsteemi, mida nad nimetavad "sensorkleebiseks", milles kolme erinevat tüüpi andurit kinnitatakse kleepuva aluskihi abil painduvale plastpinnale. Kleebised sisaldavad ka niiskuse- ja temperatuuriandureid.
Teadlased kinnitavad posti külge mitu sensoorset kleebist, asetavad need erinevatele kõrgustele ja matavad posti seejärel mulda. See seadistus võimaldas neil teha mõõtmisi erinevatel mulla sügavustel.
„Nitraatide, niiskuse ja temperatuuri mõõtmise abil erinevatel sügavustel saame nüüd kvantifitseerida nitraatide leostumise protsessi ja mõista, kuidas nitraat pinnases liigub, mis varem polnud võimalik,“ ütles Andrews.
2024. aasta suvel plaanivad teadlased paigutada Wisconsini-Madisoni ülikooli Hancocki põllumajandusuuringute jaamas ja Arlingtoni põllumajandusuuringute jaamas pinnasesse 30 sensorvarda, et sensorit edasi testida.