Shuohao Cai, een doctoraalstudent bodemkunde, plaatst een sensorstaaf met een multifunctionele sensorsticker waarmee metingen op verschillende diepten in de bodem kunnen worden uitgevoerd op het Hancock Agricultural Research Station van de Universiteit van Wisconsin-Madison.
MADISON — Ingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben goedkope sensoren ontwikkeld die continue, realtime monitoring van nitraat in gangbare bodemsoorten in Wisconsin mogelijk maken. Deze geprinte elektrochemische sensoren kunnen boeren helpen weloverwogen beslissingen te nemen over nutriëntenbeheer en economische voordelen te realiseren.
"Onze sensoren kunnen boeren een beter inzicht geven in de voedingstoestand van hun bodem en de hoeveelheid nitraat die beschikbaar is voor hun planten, waardoor ze nauwkeuriger kunnen bepalen hoeveel meststof ze daadwerkelijk nodig hebben", aldus Joseph Andrews, universitair docent aan Harvard University. Het onderzoek werd geleid door de School of Mechanical Engineering van de University of Wisconsin-Madison. "Als ze de hoeveelheid meststof die ze kopen kunnen verminderen, kunnen de kostenbesparingen voor grotere bedrijven aanzienlijk zijn."
Nitraten zijn een essentiële voedingsstof voor de groei van gewassen, maar overtollige nitraten kunnen uitspoelen uit de bodem en in het grondwater terechtkomen. Deze vorm van verontreiniging is schadelijk voor mensen die verontreinigd bronwater drinken en is schadelijk voor het milieu. De nieuwe sensor van de onderzoekers kan ook worden gebruikt als hulpmiddel bij landbouwkundig onderzoek om nitraatuitspoeling te monitoren en bij te dragen aan de ontwikkeling van best practices om de schadelijke effecten ervan te beperken.
Huidige methoden voor het monitoren van bodemnitraat zijn arbeidsintensief, duur en leveren geen realtime gegevens op. Daarom gingen Andrews, expert in geprinte elektronica, en zijn team op zoek naar een betere en goedkopere oplossing.
In dit project gebruikten de onderzoekers een inkjetprintproces om een potentiometrische sensor te creëren, een soort dunnefilm-elektrochemische sensor. Potentiometrische sensoren worden vaak gebruikt om nitraat in vloeibare oplossingen nauwkeurig te meten. Deze sensoren zijn echter over het algemeen niet geschikt voor gebruik in de bodem, omdat grote bodemdeeltjes de sensoren kunnen krassen en nauwkeurige metingen kunnen verhinderen.
"De grootste uitdaging die we probeerden op te lossen, was een manier vinden om deze elektrochemische sensoren goed te laten werken onder zware bodemomstandigheden en nitraationen nauwkeurig te detecteren", aldus Andrews.
De oplossing van het team was om een laagje polyvinylideenfluoride op de sensor aan te brengen. Volgens Andrews heeft dit materiaal twee belangrijke kenmerken. Ten eerste heeft het zeer kleine poriën, ongeveer 400 nanometer groot, waardoor nitraationen kunnen passeren en bodemdeeltjes worden tegengehouden. Ten tweede is het hydrofiel, dat wil zeggen dat het water aantrekt en absorbeert als een spons.
"Dus nitraatrijk water zal bij voorkeur in onze sensoren sijpelen, wat erg belangrijk is, want aarde is ook als een spons en je verliest de strijd om vocht in de sensor te krijgen als je niet dezelfde waterabsorptie kunt bereiken. Bodempotentieel," zei Andrews. "Deze eigenschappen van de polyvinylideenfluoridelaag stellen ons in staat om nitraatrijk water te extraheren, het naar het sensoroppervlak te brengen en nitraat nauwkeurig te detecteren."
De onderzoekers beschreven hun voortgang in een artikel dat in maart 2024 werd gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials Technology.
Het team testte hun sensor op twee verschillende grondsoorten die kenmerkend zijn voor Wisconsin: zandgrond, die veel voorkomt in het noordelijk-centrale deel van de staat, en slibrijke leemgrond, die veel voorkomt in het zuidwesten van Wisconsin. Ze ontdekten dat de sensoren nauwkeurige resultaten opleverden.
De onderzoekers integreren hun nitraatsensor nu in een multifunctioneel sensorsysteem dat ze een 'sensorsticker' noemen. Drie verschillende soorten sensoren worden met een zelfklevende achterkant op een flexibel plastic oppervlak gemonteerd. De stickers bevatten ook sensoren voor vochtigheid en temperatuur.
Onderzoekers bevestigen verschillende sensorische stickers aan een paal, plaatsen deze op verschillende hoogtes en begraven de paal vervolgens in de grond. Deze opstelling maakte het mogelijk om metingen te doen op verschillende dieptes in de grond.
"Door nitraat, vocht en temperatuur op verschillende dieptes te meten, kunnen we nu het nitraatuitspoelingsproces kwantificeren en begrijpen hoe nitraat zich door de bodem verplaatst, wat voorheen niet mogelijk was", aldus Andrews.
In de zomer van 2024 zijn de onderzoekers van plan om 30 sensorstaven in de grond te plaatsen bij het Hancock Agricultural Research Station en het Arlington Agricultural Research Station van de Universiteit van Wisconsin-Madison om de sensor verder te testen.
Plaatsingstijd: 09-07-2024