Toprak bilimi alanında doktora öğrencisi olan Shuohao Cai, Wisconsin-Madison Üniversitesi Hancock Tarım Araştırma İstasyonu'na, toprağın farklı derinliklerinde ölçüm yapılmasını sağlayan çok işlevli bir sensör etiketine sahip bir sensör çubuğu yerleştiriyor.
MADISON — Wisconsin-Madison Üniversitesi mühendisleri, Wisconsin'deki yaygın toprak türlerinde nitratın sürekli ve gerçek zamanlı izlenmesini sağlayan düşük maliyetli sensörler geliştirdiler. Bu baskılı elektrokimyasal sensörler, çiftçilerin daha bilinçli besin yönetimi kararları almalarına ve ekonomik faydalar elde etmelerine yardımcı olabilir.
Harvard Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan Joseph Andrews, "Sensörlerimiz, çiftçilere topraklarının besin durumu ve bitkilerinin alabileceği nitrat miktarı hakkında daha iyi bir anlayış sağlayarak, gerçekte ne kadar gübreye ihtiyaç duyduklarına daha doğru bir şekilde karar vermelerine yardımcı olabilir," dedi. Çalışma, Wisconsin-Madison Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakültesi tarafından yürütüldü. "Satın aldıkları gübre miktarını azaltabilirlerse, daha büyük çiftlikler için önemli maliyet tasarrufları sağlanabilir."
Nitratlar, bitki büyümesi için gerekli bir besin maddesidir, ancak fazla nitrat topraktan sızarak yeraltı suyuna karışabilir. Bu tür bir kirlenme, kirli kuyu suyu içen insanlar için zararlıdır ve çevreye zarar verir. Araştırmacıların yeni sensörü, nitrat sızıntısını izlemek ve zararlı etkilerini azaltmak için en iyi uygulamaları geliştirmeye yardımcı olmak amacıyla bir tarımsal araştırma aracı olarak da kullanılabilir.
Toprak nitratını izlemek için kullanılan mevcut yöntemler emek yoğun, pahalı ve gerçek zamanlı veri sağlamıyor. İşte bu nedenle, basılı elektronik uzmanı Andrews ve ekibi daha iyi ve daha uygun maliyetli bir çözüm geliştirmek için yola çıktı.
Bu projede araştırmacılar, bir tür ince film elektrokimyasal sensör olan potansiyometrik bir sensör oluşturmak için mürekkep püskürtmeli baskı yöntemini kullandılar. Potansiyometrik sensörler genellikle sıvı çözeltilerdeki nitratı doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır. Ancak, büyük toprak parçacıkları sensörleri çizebileceği ve doğru ölçümleri engelleyebileceği için bu sensörler genellikle toprak ortamlarında kullanıma uygun değildir.
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 yerleştirmekti. Andrews'a göre bu malzemenin iki temel özelliği var. İlk olarak, yaklaşık 400 nanometre boyutunda çok küçük gözeneklere sahip olması, nitrat iyonlarının geçmesine izin verirken toprak parçacıklarını engellemesi. İkinci olarak, hidrofilik olması, yani suyu çekip sünger gibi emmesi.
"Dolayısıyla nitrat açısından zengin su, sensörlerimize öncelikli olarak sızacaktır; bu gerçekten önemli çünkü toprak da bir sünger gibidir ve aynı su emilimini sağlayamazsanız, sensöre nem girmesi konusunda savaşı kaybedersiniz. Toprak potansiyeli," dedi Andrews. "Poliviniliden florür tabakasının bu özellikleri, nitrat açısından zengin suyu çıkarmamızı, sensör yüzeyine iletmemizi ve nitratı doğru bir şekilde tespit etmemizi sağlıyor."
Araştırmacılar, ilerlemelerini Mart 2024'te Advanced Materials Technology dergisinde yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak anlattılar.
Ekip, sensörlerini Wisconsin ile ilişkilendirilen iki farklı toprak türünde test etti: eyaletin kuzey-orta kesimlerinde yaygın olan kumlu topraklar ve güneybatı Wisconsin'de yaygın olan siltli tınlı topraklar. Sensörlerin doğru sonuçlar ürettiğini buldular.
Araştırmacılar, nitrat sensörlerini "sensör etiketi" adını verdikleri çok işlevli 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 birkaç duyusal çıkartma yapıştıracak, bunları farklı yüksekliklere yerleştirecek ve ardından direği toprağa gömecekler. Bu düzenek, farklı toprak derinliklerinde ölçüm yapmalarına olanak tanıdı.
Andrews, "Farklı derinliklerdeki nitrat, nem ve sıcaklığı ölçerek, nitrat sızıntı sürecini nicel olarak belirleyebiliyor ve nitratın toprakta nasıl hareket ettiğini anlayabiliyoruz. Bu daha önce mümkün değildi." dedi.
Araştırmacılar, 2024 yazında Wisconsin-Madison Üniversitesi bünyesindeki Hancock Tarım Araştırma İstasyonu ve Arlington Tarım Araştırma İstasyonu'nda toprağa 30 sensör çubuğu yerleştirerek sensörü daha detaylı test etmeyi planlıyor.
Gönderi zamanı: 09 Temmuz 2024