Toprak bilimi alanında doktora öğrencisi olan Shuohao Cai, Wisconsin-Madison Üniversitesi Hancock Tarım Araştırma İstasyonu'nda, toprağın farklı derinliklerinde ölçüm yapılmasına olanak sağlayan çok fonksiyonlu sensör etiketli bir sensör çubuğunu yerleştiriyor.
MADISON — Wisconsin-Madison Üniversitesi mühendisleri, Wisconsin'de yaygın olarak bulunan toprak tiplerinde nitratı sürekli ve gerçek zamanlı olarak izleyebilen düşük maliyetli sensörler geliştirdi. Bu baskılı elektrokimyasal sensörler, çiftçilerin besin yönetimi konusunda daha bilinçli kararlar almalarına ve ekonomik faydalar elde etmelerine yardımcı olabilir.
Harvard Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan Joseph Andrews, "Sensörlerimiz çiftçilere topraklarının besin durumunu ve bitkileri için mevcut nitrat miktarını daha iyi anlamalarını sağlayarak, ne kadar gübreye ihtiyaç duyduklarına daha doğru karar vermelerine yardımcı olabilir" dedi. Çalışma, Wisconsin-Madison Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakültesi tarafından yürütüldü. "Satın aldıkları gübre miktarını azaltabilirlerse, daha büyük çiftlikler için maliyet tasarrufu önemli olabilir."
Nitratlar, bitki büyümesi için gerekli bir besin maddesidir, ancak fazla nitrat topraktan sızarak yeraltı sularına karışabilir. Bu tür kirlenme, kirlenmiş kuyu suyunu içen insanlar için zararlı olduğu gibi çevre için de zararlıdır. Araştırmacıların yeni sensörü, nitrat sızıntısını izlemek ve zararlı etkilerini azaltmak için en iyi uygulamaları geliştirmeye yardımcı olmak amacıyla tarımsal bir araştırma aracı olarak da kullanılabilir.
Toprak nitratını izlemek için kullanılan mevcut yöntemler emek yoğun, pahalı ve gerçek zamanlı veri sağlamıyor. Bu nedenle, baskılı elektronik uzmanı Andrews ve ekibi daha iyi ve daha ucuz bir çözüm yaratmak için yola çıktı.
Bu projede araştırmacılar, ince film elektrokimyasal sensör türü olan potansiyometrik bir sensör oluşturmak için mürekkep püskürtmeli baskı işlemini kullandılar. Potansiyometrik sensörler genellikle sıvı çözeltilerdeki nitratı doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır. Bununla birlikte, bu sensörler genellikle toprak ortamlarında kullanıma uygun değildir çünkü büyük toprak parçacıkları sensörleri çizebilir ve doğru ölçümleri engelleyebilir.
Andrews, "Çözmeye çalıştığımız temel zorluk, bu elektrokimyasal sensörlerin zorlu toprak koşullarında düzgün çalışmasını ve nitrat iyonlarını doğru bir şekilde tespit etmesini sağlayacak bir yol bulmaktı," dedi.
Ekibin çözümü, sensörün üzerine bir poliviniliden florür tabakası yerleştirmek oldu. Andrews'a göre, bu malzemenin iki temel özelliği var. Birincisi, yaklaşık 400 nanometre boyutunda çok küçük gözeneklere sahip olması; bu gözenekler nitrat iyonlarının geçmesine izin verirken toprak parçacıklarını engelliyor. İkincisi, hidrofilik olması, yani suyu çekip sünger gibi emmesi.
Andrews, “Bu nedenle nitrat açısından zengin su, sensörlerimize öncelikli olarak sızacak; bu gerçekten önemli çünkü toprak da bir sünger gibidir ve aynı su emilimini sağlayamazsanız sensöre nem girmesi konusunda başarısız olursunuz. Toprağın potansiyeli çok önemli,” dedi. “Poliviniliden florür tabakasının bu özellikleri, nitrat açısından zengin suyu çekmemizi, sensör yüzeyine iletmemizi ve nitratı doğru bir şekilde tespit etmemizi sağlıyor.”
Araştırmacılar, Mart 2024'te Advanced Materials Technology dergisinde yayınlanan bir makalede ilerlemelerini ayrıntılı olarak açıkladılar.
Ekip, sensörlerini Wisconsin'e özgü iki farklı toprak türü üzerinde test etti: eyaletin kuzey-orta kesimlerinde yaygın olan kumlu topraklar ve güneybatı Wisconsin'de yaygın olan siltli tınlı topraklar. Test sonucunda sensörlerin doğru sonuçlar verdiği tespit edildi.
Araştırmacılar, nitrat sensörlerini "sensör etiketi" adını verdikleri çok fonksiyonlu bir sensör sistemine entegre ediyorlar. Bu sistemde, üç farklı sensör türü yapışkan bir arka yüzey kullanılarak esnek bir plastik yüzeye monte ediliyor. Etiketler ayrıca nem ve sıcaklık sensörleri de içeriyor.
Araştırmacılar, bir direğe çeşitli duyusal etiketler yapıştıracak, bunları farklı yüksekliklere yerleştirecek ve ardından direği toprağa gömecekler. Bu düzenek, farklı toprak derinliklerinde ölçümler almalarına olanak sağladı.
Andrews, "Artık farklı derinliklerde nitrat, nem ve sıcaklığı ölçerek, nitratın topraktan süzülme sürecini nicel olarak belirleyebiliyor ve nitratın toprakta nasıl hareket ettiğini anlayabiliyoruz; bu daha önce mümkün değildi," dedi.
Araştırmacılar, sensörü daha detaylı test etmek amacıyla 2024 yazında Wisconsin-Madison Üniversitesi'ndeki Hancock Tarım Araştırma İstasyonu ve Arlington Tarım Araştırma İstasyonu'nda toprağa 30 adet sensör çubuğu yerleştirmeyi planlıyor.
Yayın tarihi: 09.07.2024