Neuer Bodensensor kann die Effizienz der Pflanzendüngung verbessern

Die Messung der Temperatur und des Stickstoffgehalts im Boden ist wichtig für landwirtschaftliche Systeme, aber es ist schwierig, sie getrennt voneinander zu erfassen. Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics an der Penn State, leitete Forscher bei der Entwicklung eines Multiparametersensors, der Temperatur- und Stickstoffsignale effektiv entkoppeln kann, sodass beide gemessen werden können genau. Die Ergebnisse wurden kürzlich von veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

„Für eine effiziente Düngung ist eine kontinuierliche Überwachung der Bodenbedingungen in Echtzeit erforderlich, insbesondere die Stickstoffausnutzung und die Bodentemperatur“, sagte Cheng. „Dies ist unerlässlich, um die Pflanzengesundheit zu bewerten, die Umweltverschmutzung zu reduzieren und eine nachhaltige und präzise Landwirtschaft zu fördern.“

Die Verwendung von Stickstoff als Düngemittel ist in der Landwirtschaft gängige Praxis, und das Ziel ist es, die ideale Menge für den besten Ernteertrag zu verwenden. Wenn zu wenig Stickstoff verwendet wird, kann der Ernteertrag nicht optimal sein. Wenn zu viel verwendet wird, wird Dünger verschwendet, Pflanzen können verbrennen und schädliche Stickstoffgase werden in die Umwelt freigesetzt. Die genaue Erfassung des Stickstoffgehalts – insbesondere des Stickstoffverlusts in Form eines Gases – kann Landwirten dabei helfen, optimale Düngewerte für das Pflanzenwachstum zu erreichen.

„Das Pflanzenwachstum wird auch von der Temperatur beeinflusst, die die physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Prozesse im Boden beeinflusst“, sagte Co-Autor Li Yang, Professor an der School of Artificial Intelligence an der chinesischen Hebei University of Technology. „Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht es den Landwirten, Strategien und Interventionen zu entwickeln, wenn die Temperaturen für ihre Pflanzen zu heiß oder zu kalt sind.“

Leider können sowohl Gase als auch Temperatur – zusammen mit Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit – Änderungen im Widerstandswert des Sensors verursachen, sodass der Sensor sie nicht unterscheiden kann. Laut Cheng wird selten über Sensormechanismen berichtet, die unabhängig voneinander Stickstoffgas- und Temperaturmessungen erhalten können.

Chengs Team entwarf und fertigte einen Hochleistungssensor, um die Erkennung von Stickstoffverlust und Bodentemperatur vollständig zu entkoppeln. Der Multiparametersensor basiert auf mit Vanadiumoxid dotiertem, laserinduziertem Graphenschaum. Vanadiumoxid kann Stickstoffgase adsorbieren und mit diesen interagieren, und es wurde auch festgestellt, dass das Dotieren von Metallkomplexen in Graphen die Gasadsorption und die Nachweisempfindlichkeit verbessert.

Der Sensor ist von einer weichen Membran eingekapselt, die das Eindringen von Stickstoffgas blockiert, sodass der Sensor nur auf Temperaturschwankungen reagiert. Zusätzlich kann die Verkapselung entfernt und der Sensor bei erhöhter Temperatur betrieben werden. Dadurch wird der Einfluss der relativen Feuchtigkeit und Temperatur im Boden entfernt, um eine genaue Messung des Stickstoffgases zu ermöglichen. Die Kombination aus gekapseltem Sensor und ungekapseltem Sensor kann Temperatur und Stickstoffgas störungsfrei vollständig entkoppeln.

Laut Cheng kann die Entkopplung von Temperaturschwankungen und Stickstoffgasemissionen genutzt werden, um multimodale Geräte mit entkoppelten Sensormechanismen für die Präzisionslandwirtschaft bei allen Wetterbedingungen zu entwerfen und anzuwenden.

„Die Fähigkeit, gleichzeitig ultraniedrige Stickoxidkonzentrationen und kleine Temperaturänderungen zu erkennen, ebnet den Weg für die Entwicklung zukünftiger multimodaler elektronischer Geräte mit entkoppelten Sensormechanismen für Präzisionslandwirtschaft, Gesundheitsüberwachung und andere Anwendungen“, sagte Cheng.