Nieuwe bodemsensoren kunnen de efficiëntie van gewasbemesting verbeteren.

Meststoffen die stikstof bevatten, worden gebruikt om de voedselproductie te verhogen, maar de uitstoot ervan kan het milieu vervuilen. Om het gebruik van hulpbronnen te maximaliseren, de landbouwopbrengsten te verhogen en de milieurisico's te verlagen, is continue en realtime monitoring van bodemeigenschappen, zoals bodemtemperatuur en meststofuitstoot, essentieel. Een multiparametersensor is nodig voor slimme of precisielandbouw om NOx-uitstoot en bodemtemperatuur te volgen voor optimale bemesting.

De James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics aan Penn State, Huanyu “Larry” Cheng, leidde de ontwikkeling van een multiparameter-sensor die temperatuur- en stikstofsignalen succesvol scheidt, waardoor nauwkeurige metingen van beide mogelijk zijn.

Cheng zei:“Voor een efficiënte bemesting is continue en realtime monitoring van de bodemomstandigheden nodig, met name de stikstofbenutting en de bodemtemperatuur. Dit is essentieel voor het beoordelen van de gewasgezondheid, het verminderen van milieuvervuiling en het bevorderen van duurzame en precisielandbouw.”

Het onderzoek heeft als doel de juiste hoeveelheid meststof te gebruiken voor een optimale gewasopbrengst. Een te hoge stikstofbemesting kan de opbrengst verlagen. Overmatig gebruik van meststoffen leidt tot verspilling, verbranding van planten en de uitstoot van giftige stikstofdampen in het milieu. Met behulp van nauwkeurige stikstofmetingen kunnen boeren de ideale hoeveelheid meststof voor een optimale plantengroei bepalen.

Medeauteur Li Yang, hoogleraar aan de faculteit Kunstmatige Intelligentie van de Hebei Universiteit voor Technologie in China, zei:“De plantengroei wordt ook beïnvloed door de temperatuur, die de fysische, chemische en microbiologische processen in de bodem beïnvloedt. Continue monitoring stelt boeren in staat om strategieën en interventies te ontwikkelen wanneer de temperaturen te hoog of te laag zijn voor hun gewassen.”

Volgens Cheng worden detectiemechanismen die onafhankelijk van elkaar stikstofgas en temperatuur kunnen meten zelden beschreven. Zowel gassen als temperatuur kunnen variaties in de weerstandsmeting van de sensor veroorzaken, waardoor het moeilijk is om ze van elkaar te onderscheiden.

Het team van Cheng ontwikkelde een hoogwaardige sensor die stikstofverlies kan detecteren, onafhankelijk van de bodemtemperatuur. De sensor is gemaakt van met vanadiumoxide verrijkt, door laser geïnduceerd grafeenschuim, en het is gebleken dat het toevoegen van metaalcomplexen aan grafeen de gasadsorptie en de detectiegevoeligheid verbetert.

Doordat een zacht membraan de sensor beschermt en voorkomt dat stikstofgas binnendringt, reageert de sensor uitsluitend op temperatuurveranderingen. De sensor kan ook zonder inkapseling en bij een hogere temperatuur worden gebruikt.

Dit maakt een nauwkeurige meting van het stikstofgas mogelijk door de invloed van relatieve luchtvochtigheid en bodemtemperatuur uit te sluiten. Temperatuur en stikstofgas kunnen volledig en storingsvrij van elkaar worden gescheiden met behulp van de ingesloten en niet-ingekapselde sensoren.

De onderzoeker zei dat het loskoppelen van temperatuurveranderingen en stikstofgasemissies gebruikt kan worden om multimodale apparaten met ontkoppelde sensormechanismen te creëren en te implementeren voor precisielandbouw onder alle weersomstandigheden.

Cheng zei: "De mogelijkheid om tegelijkertijd ultralage stikstofoxideconcentraties en kleine temperatuurveranderingen te detecteren, maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van toekomstige multimodale elektronische apparaten met ontkoppelde detectiemechanismen voor precisielandbouw, gezondheidsmonitoring en andere toepassingen."

Het onderzoek van Cheng werd gefinancierd door de National Institutes of Health, de National Science Foundation, Penn State en de Chinese National Natural Science Foundation.