Ученые сделали датчик для определения уровня азота в почве

Измерение температуры и уровня азота в почве необходимо для сельского хозяйства, но определить их отдельно друг от друга сложно. Хуанью «Ларри» Ченг, Джеймс Л. Хендерсон-младший, адъюнкт-профессор инженерных наук и механики в Пенсильвании, руководил исследователями в разработке многопараметрического датчика, который может эффективно отделять сигналы температуры и азота, чтобы каждый из них мог быть измерен с необходимой точностью. Результаты были опубликованы Advanced Materials.

«Для эффективного внесения удобрений необходим непрерывный мониторинг состояния почвы в режиме реального времени, в частности использования азота и температуры почвы», — сказал Ченг. «Это необходимо для оценки здоровья сельскохозяйственных культур, снижения загрязнения окружающей среды и продвижения устойчивого и точного земледелия».

Использование азота в качестве удобрения является обычной практикой в ​​сельском хозяйстве, и цель состоит в том, чтобы использовать идеальное количество для получения наилучшего урожая. Когда азота используется слишком мало, урожайность культуры может быть ниже оптимальной. Когда используется слишком много, удобрения тратятся впустую, растения могут сгореть, а вредные азотные газы выбрасываются в окружающую среду. Точное определение уровня азота, особенно потери азота в виде газа, может помочь фермерам достичь оптимального количества удобрений для роста растений.

«На рост растений также влияет температура. Она влияет на физические, химические и микробиологические процессы в почве», — сказал соавтор Ли Ян, профессор Школы искусственного интеллекта Китайского технологического университета Хэбэй. «Непрерывный мониторинг позволяет фермерам разрабатывать стратегии и меры, если температура слишком высокая или слишком низкая для их культур».

К сожалению, и испарения, и температура, наряду с колебаниями относительной влажности, могут вызывать изменения показаний сопротивления датчика, поэтому он не может их различить. По словам Ченга, редко сообщается о механизмах датчиков, которые могут получать газообразный азот и измерения температуры независимо друг от друга.

Команда Ченга разработала и изготовила высокопроизводительный датчик, полностью отделяющий обнаружение потери азота от температуры почвы. Многопараметрический датчик основан на пене графена, легированной оксидом ванадия, индуцированной лазером. Оксид ванадия может адсорбировать газообразный азот и взаимодействовать с ним, а также было обнаружено, что легирующие комплексы металлов в графене улучшают адсорбцию газа и чувствительность обнаружения.

Датчик заключен в мягкую мембрану, которая блокирует проникновение газообразного азота, поэтому датчик реагирует только на колебания температуры. Кроме того, герметизация может быть удалена, и датчик может работать при повышенной температуре. Это устраняет влияние относительной влажности и температуры почвы, что позволяет точно измерять газообразный азот. Комбинация герметизированного датчика и негерметизированного датчика может полностью изолировать температуру и газообразный азот без помех.

По словам ученого, разделение колебаний температуры и выбросов газообразного азота можно использовать для разработки и применения мультимодальных устройств с механизмами датчиков для точного земледелия в любых погодных условиях.

Источник: Университет штата Пенсильвания