Ingenieure der University of Wisconsin–Madison haben kostengünstige Sensoren entwickelt, die eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung des Nitratgehalts in den in Wisconsin üblichen Bodenarten ermöglichen. Diese gedruckten elektrochemischen Sensoren könnten es Landwirten ermöglichen, fundiertere Entscheidungen zur Nährstoffbewirtschaftung zu treffen und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.
„Unsere Sensoren könnten den Landwirten ein besseres Verständnis des Nährstoffprofils ihres Bodens und der für die Pflanzen verfügbaren Nitratmenge vermitteln und ihnen helfen, präzisere Entscheidungen darüber zu treffen, wie viel Dünger sie wirklich benötigen“, sagt Joseph Andrews, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der UW–Madison, der die Forschung leitete. „Wenn sie weniger Dünger kaufen können, könnten die Kosteneinsparungen bei großflächigen Betrieben erheblich sein.“
Obwohl Nitrat ein wichtiger Nährstoff für den Anbau von Nutzpflanzen ist, kann überschüssiges Nitrat aus dem Boden ins Grundwasser gelangen. Diese Art der Verschmutzung ist gefährlich für Menschen, die verunreinigtes Brunnenwasser trinken, und ist schädlich für die Umwelt. Die neuen Sensoren der Forscher könnten auch als Instrument der landwirtschaftlichen Forschung eingesetzt werden, um die Nitratauswaschung zu überwachen und optimale Vorgehensweisen zur Eindämmung ihrer schädlichen Auswirkungen zu entwickeln.
Aktuelle Methoden zur Überwachung von Nitrat im Boden sind mühsam, teuer und liefern keine Echtzeitdaten. Deshalb haben sich Andrews, ein Experte für gedruckte Elektronik, und sein Team vorgenommen, eine bessere und kostengünstigere Lösung zu entwickeln.
Für dieses Projekt verwendeten die Forscher ein Tintenstrahldruckverfahren, um potentiometrische Sensoren herzustellen, eine Art elektrochemischer Dünnschichtsensor. Potentiometrische Sensoren werden häufig verwendet, um Nitrat in flüssigen Lösungen genau zu messen. Diese Sensoren sind jedoch normalerweise nicht für den Einsatz in Erdumgebungen geeignet, wo grobe Erdpartikel sie zerkratzen und die Erzielung genauer Messungen beeinträchtigen.
„Die größte Herausforderung, die wir zu lösen versuchten, bestand darin, einen Weg zu finden, diese elektrochemischen Sensoren in die Lage zu versetzen, in der rauen Umgebung des Bodens gut zu funktionieren und Nitrationen präzise zu erfassen“, sagt Andrews.
Die Lösung des Teams bestand darin, eine Schicht aus Polyvinylidenfluorid über den Sensor zu legen. Andrews sagt, dieses Material habe zwei wichtige Eigenschaften. Erstens habe es sehr kleine Poren von etwa 400 Nanometern Größe, die Nitrationen durchlassen, aber Bodenpartikel blockieren. Zweitens sei es hydrophil, das heißt, es zieht Wasser an und saugt es wie ein Schwamm auf.
„Nitrathaltiges Wasser wird also bevorzugt von unserem Sensor aufgenommen, und das ist wirklich wichtig, denn Erde wirkt auch wie ein Schwamm, und Sie werden einen aussichtslosen Kampf um die Feuchtigkeit führen, die zu Ihrem Sensor gelangt, wenn Sie nicht das Wasseraufnahmepotenzial von Erde erreichen“, sagt Andrews. „Diese Eigenschaften der Polyvinylidenfluoridschicht ermöglichen es uns, das nitrathaltige Wasser zu extrahieren, es an die Oberfläche unseres Sensors zu bringen und Nitrat genau zu messen.“
Die Forscher erläuterten ihren Fortschritt in einem Artikel veröffentlicht im März 2024 in der Zeitschrift Fortschrittliche Materialtechnologien.
Das Team testete seine Sensoren in zwei verschiedenen, für Wisconsin relevanten Bodenarten – Sandboden, der im zentralen Nordteil des Staates häufig vorkommt, und Schluffboden, der im Südwesten von Wisconsin häufig vorkommt – und stellte fest, dass die Sensoren genaue Ergebnisse lieferten.
Die Forscher integrieren ihre Nitratsensoren nun in ein multifunktionales Sensorsystem, das sie „Sensoraufkleber“ nennen. Dabei sind drei verschiedene Arten von Sensoren auf einer flexiblen Kunststoffoberfläche angebracht, die auf der Rückseite mit einem Klebstoff versehen ist. Diese Aufkleber enthalten auch Feuchtigkeits- und Temperatursensoren.
Die Forscher werden mehrere Sensoraufkleber an einem Stab befestigen, sie in unterschiedlichen Höhen positionieren und den Stab dann im Boden vergraben. Mit diesem Aufbau können sie Messungen in mehreren Tiefen im Boden durchführen.
„Indem wir Nitrat, Feuchtigkeit und Temperatur in unterschiedlichen Tiefen messen, können wir nun den Prozess der Nitratauswaschung quantifizieren und erfassen, wie sich Nitrat durch den Boden bewegt, was bisher nicht möglich war“, sagt Andrews.
Im Sommer 2024 planen die Forscher, weitere Tests mit ihren Sensoren durchzuführen, indem sie 30 Sensorstäbe im Boden der Hancock Agricultural Research Station und der Arlington Agricultural Research Station der UW–Madison einsetzen.
Zu den Co-Autoren des Artikels von der UW–Madison gehören Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai und Jingyi Huang, Professor für Bodenkunde.
Mehr Informationen:
Kuan‐Yu Chen et al., Tintenstrahlgedruckte potentiometrische Sensoren zur Nitraterkennung direkt im Boden, ermöglicht durch eine hydrophile Passivierungsschicht, Fortschrittliche Werkstofftechnologien (2024). DOI: 10.1002/admt.202301140