Uued mullasensorid võivad parandada põllukultuuride väetamise efektiivsust

Lämmastikku sisaldavaid väetisi kasutatakse toidutootmise suurendamiseks, kuid nende heitkogused võivad keskkonda saastata. Ressursside kasutamise maksimeerimiseks, põllumajandusliku saagikuse suurendamiseks ja keskkonnariskide vähendamiseks on oluline mulla omaduste, näiteks mulla temperatuuri ja väetiste heitkoguste pidev ja reaalajas jälgimine. Nutika või täppispõllumajanduse jaoks on parima väetamise tagamiseks vaja mitmeparameetrilist andurit, et jälgida NOX-gaaside heitkoguseid ja mulla temperatuuri.

James L. Henderson, Jr., Penn State'i tehnikateaduste ja mehaanika memoriaaldotsent Huanyu „Larry” Cheng juhtis mitmeparameetrilise anduri väljatöötamist, mis eraldab edukalt temperatuuri- ja lämmastikusignaale, et võimaldada mõlema täpset mõõtmist.

Cheng ütles,„Tõhusa väetamise jaoks on vaja pidevalt ja reaalajas jälgida mulla tingimusi, eriti lämmastiku kasutamist ja mulla temperatuuri. See on oluline põllukultuuride tervise hindamiseks, keskkonnareostuse vähendamiseks ning säästva ja täppispõllumajanduse edendamiseks.“

Uuringu eesmärk on kasutada parima saagikuse saavutamiseks sobivat kogust. Saagi saagikus võib olla madalam, kui see võiks olla, kui kasutatakse rohkem lämmastikku. Liigse väetise kasutamisel läheb see raisku, taimed võivad põleda ja keskkonda paiskuvad mürgised lämmastikuaurud. Põllumehed saavad täpse lämmastikutaseme tuvastamise abil saavutada taimede kasvuks ideaalse väetise taseme.

Kaasautor Li Yang, Hiina Hebei Tehnikaülikooli tehisintellekti kooli professor, ütles:„Taimede kasvu mõjutab ka temperatuur, mis omakorda omakorda mõjutab mullas toimuvaid füüsikalisi, keemilisi ja mikrobioloogilisi protsesse. Pidev jälgimine võimaldab põllumeestel välja töötada strateegiaid ja sekkumisi, kui temperatuur on nende põllukultuuride jaoks liiga kõrge või liiga madal.“

Chengi sõnul on harva teatatud anduritest, mis suudavad lämmastikgaasi ja temperatuuri mõõtmisi teineteisest sõltumatult saada. Nii gaasid kui ka temperatuur võivad põhjustada anduri takistusnäidu kõikumisi, mistõttu on nende eristamine keeruline.

Chengi meeskond lõi suure jõudlusega anduri, mis suudab tuvastada lämmastikukadu mulla temperatuurist sõltumatult. Andur on valmistatud vanaadiumoksiidiga legeeritud, laserindutseeritud grafeenvahust ning on avastatud, et grafeenis legeeritud metallikompleksid parandavad gaasi adsorptsiooni ja detekteerimise tundlikkust.

Kuna pehme membraan kaitseb andurit ja hoiab ära lämmastikgaasi läbitungimise, reageerib andur ainult temperatuurimuutustele. Andurit saab kasutada ka ilma kapseldamiseta ja kõrgemal temperatuuril.

See võimaldab lämmastikgaasi täpset mõõtmist, välistades suhtelise õhuniiskuse ja mullatemperatuuri mõju. Temperatuuri ja lämmastikgaasi saab täielikult ja häireteta lahutada, kasutades kaasasolevaid ja kapseldamata andureid.

Teadlase sõnul saaks temperatuurimuutuste ja lämmastikgaaside heitkoguste lahutamist kasutada multimodaalsete seadmete loomiseks ja rakendamiseks, millel on lahutatud andurmehhanismid täppispõllumajanduse jaoks igasugustes ilmastikutingimustes.

Cheng ütles: „Võime samaaegselt tuvastada ülimadala lämmastikoksiidi kontsentratsiooni ja väikeseid temperatuurimuutusi sillutab teed tulevaste multimodaalsete elektroonikaseadmete arendamiseks, millel on lahutatud andurmehhanismid täppispõllumajanduse, tervise jälgimise ja muude rakenduste jaoks.“

Chengi uurimistööd rahastasid riiklikud tervishoiuinstituudid, riiklik teadusfond, Penn State'i ülikool ja Hiina riiklik loodusteaduste fond.