Yeni toprak sensörleri, bitki gübreleme verimliliğini artırabilir.

Azot içeren gübreler gıda üretimini artırmak için kullanılır, ancak emisyonları çevreyi kirletebilir. Kaynak kullanımını en üst düzeye çıkarmak, tarımsal verimi artırmak ve çevresel riskleri azaltmak için, toprak sıcaklığı ve gübre emisyonu gibi toprak özelliklerinin sürekli ve gerçek zamanlı olarak izlenmesi şarttır. Akıllı veya hassas tarım için, en iyi gübrelemeyi sağlamak amacıyla NOX gazı emisyonlarını ve toprak sıcaklığını izlemek üzere çok parametreli bir sensör gereklidir.

Penn State Üniversitesi Mühendislik Bilimi ve Mekaniği Bölümü'nde James L. Henderson, Jr. Anma Doçenti olan Huanyu “Larry” Cheng, sıcaklık ve azot sinyallerini birbirinden ayırarak her birinin doğru ölçümünü sağlayan çok parametreli bir sensörün geliştirilmesine öncülük etti.

Cheng şöyle dedi:“Verimli gübreleme için, özellikle azot kullanımı ve toprak sıcaklığı olmak üzere, toprak koşullarının sürekli ve gerçek zamanlı olarak izlenmesi gerekmektedir. Bu, mahsul sağlığını değerlendirmek, çevre kirliliğini azaltmak ve sürdürülebilir ve hassas tarımı teşvik etmek için elzemdir.”

Bu çalışma, en iyi ürün verimi için uygun miktarda gübre kullanımını hedeflemektedir. Daha fazla azot kullanılması durumunda ürün verimi daha düşük olabilir. Gübre aşırı miktarda uygulandığında israf olur, bitkiler yanabilir ve zehirli azot gazları çevreye salınır. Çiftçiler, doğru azot seviyesi tespiti yardımıyla bitkilerin büyümesi için ideal gübre seviyelerine ulaşabilirler.

Makalenin ortak yazarlarından, Çin'deki Hebei Teknoloji Üniversitesi Yapay Zeka Okulu'nda görevli Profesör Li Yang şunları söyledi:“Bitki büyümesi, topraktaki fiziksel, kimyasal ve mikrobiyolojik süreçleri etkileyen sıcaklıktan da etkilenir. Sürekli izleme, çiftçilerin sıcaklıkların mahsulleri için çok yüksek veya çok düşük olduğu durumlarda stratejiler ve müdahaleler geliştirmelerini sağlar.”

Cheng'e göre, azot gazı ve sıcaklık ölçümlerini birbirinden bağımsız olarak alabilen algılama mekanizmaları nadiren rapor edilmektedir. Hem gazlar hem de sıcaklık, sensörün direnç okumasında değişikliklere neden olarak aralarında ayrım yapmayı zorlaştırmaktadır.

Cheng'in ekibi, toprak sıcaklığından bağımsız olarak azot kaybını tespit edebilen yüksek performanslı bir sensör geliştirdi. Sensör, vanadyum oksit katkılı, lazerle üretilmiş grafen köpüğünden yapılmıştır ve grafene metal kompleksleri eklemenin gaz adsorpsiyonunu ve algılama hassasiyetini artırdığı keşfedilmiştir.

Yumuşak bir zar sensörü koruduğu ve azot gazının geçişini engellediği için, sensör yalnızca sıcaklık değişimlerine tepki verir. Sensör ayrıca kapsülleme olmadan ve daha yüksek sıcaklıklarda da kullanılabilir.

Bu sayede bağıl nem ve toprak sıcaklığının etkileri dışlanarak azot gazının doğru ölçümü mümkün olur. Kapalı ve açık sensörler kullanılarak sıcaklık ve azot gazı tamamen ve parazitsiz bir şekilde birbirinden ayrılabilir.

Araştırmacı, sıcaklık değişimleri ve azot gazı emisyonlarının birbirinden ayrılmasının, her türlü hava koşulunda hassas tarım için birbirinden ayrılmış algılama mekanizmalarına sahip çok modlu cihazların oluşturulması ve uygulanmasında kullanılabileceğini söyledi.

Cheng, “Ultra düşük azot oksit konsantrasyonlarını ve küçük sıcaklık değişimlerini eş zamanlı olarak tespit edebilme yeteneği, hassas tarım, sağlık izleme ve diğer uygulamalar için ayrıştırılmış algılama mekanizmalarına sahip gelecekteki çok modlu elektronik cihazların geliştirilmesinin önünü açıyor” dedi.

Cheng'in araştırması Ulusal Sağlık Enstitüleri, Ulusal Bilim Vakfı, Penn State Üniversitesi ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından finanse edildi.