MADISON - Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveram sensores de solo de baixo custo.

Shuohao Cai, estudante de doutorado em ciência do solo, instala uma haste sensora com um adesivo multifuncional que permite medições em diferentes profundidades do solo na Estação de Pesquisa Agrícola Hancock da Universidade de Wisconsin-Madison.
MADISON — Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveram sensores de baixo custo que podem fornecer monitoramento contínuo e em tempo real de nitrato em tipos de solo comuns em Wisconsin. Esses sensores eletroquímicos impressos podem ajudar os agricultores a tomar decisões mais informadas sobre o manejo de nutrientes e a obter benefícios econômicos.
“Nossos sensores podem proporcionar aos agricultores uma melhor compreensão do estado nutricional do solo e da quantidade de nitrato disponível para as plantas, ajudando-os a decidir com mais precisão a quantidade de fertilizante necessária”, disse Joseph Andrews, professor assistente da Universidade de Harvard. O estudo foi liderado pela Escola de Engenharia Mecânica da Universidade de Wisconsin-Madison. “Se eles conseguirem reduzir a quantidade de fertilizante que compram, a economia poderá ser significativa para as grandes propriedades rurais.”
Os nitratos são nutrientes essenciais para o crescimento das culturas, mas o excesso pode infiltrar-se no solo e contaminar as águas subterrâneas. Esse tipo de contaminação é prejudicial para quem consome água de poço contaminada e também para o meio ambiente. O novo sensor desenvolvido pelos pesquisadores também pode ser usado como ferramenta de pesquisa agrícola para monitorar a lixiviação de nitratos e auxiliar no desenvolvimento de melhores práticas para mitigar seus efeitos nocivos.
Os métodos atuais para monitorar o nitrato no solo são trabalhosos, caros e não fornecem dados em tempo real. É por isso que o especialista em eletrônica impressa Andrews e sua equipe decidiram criar uma solução melhor e mais barata.
Neste projeto, os pesquisadores utilizaram um processo de impressão a jato de tinta para criar um sensor potenciométrico, um tipo de sensor eletroquímico de película fina. Sensores potenciométricos são frequentemente usados ​​para medir com precisão nitrato em soluções líquidas. No entanto, esses sensores geralmente não são adequados para uso em ambientes de solo, pois partículas grandes do solo podem arranhar os sensores e impedir medições precisas.
“O principal desafio que estávamos tentando resolver era encontrar uma maneira de fazer com que esses sensores eletroquímicos funcionassem corretamente em condições de solo adversas e detectassem íons de nitrato com precisão”, disse Andrews.
A solução da equipe foi depositar uma camada de fluoreto de polivinilideno sobre o sensor. Segundo Andrews, esse material possui duas características principais. Primeiro, apresenta poros muito pequenos, com cerca de 400 nanômetros de tamanho, que permitem a passagem de íons nitrato, bloqueando as partículas do solo. Segundo, é hidrofílico, ou seja, atrai água e a absorve como uma esponja.
“Assim, qualquer água rica em nitrato irá infiltrar-se preferencialmente nos nossos sensores, o que é realmente importante porque o solo também funciona como uma esponja e você perderá a batalha em termos de absorção de umidade pelo sensor se não conseguir a mesma capacidade de absorção de água. Potencial do solo”, disse Andrews. “Essas propriedades da camada de fluoreto de polivinilideno nos permitem extrair água rica em nitrato, direcioná-la para a superfície do sensor e detectar nitrato com precisão.”
Os pesquisadores detalharam seu progresso em um artigo publicado em março de 2024 na revista Advanced Materials Technology.
A equipe testou seu sensor em dois tipos diferentes de solo associados ao Wisconsin — solos arenosos, comuns nas regiões centro-norte do estado, e solos franco-argilosos siltosos, comuns no sudoeste do Wisconsin — e descobriu que os sensores produziram resultados precisos.
Os pesquisadores estão agora integrando seu sensor de nitrato em um sistema de sensores multifuncional que denominam "adesivo sensor", no qual três tipos diferentes de sensores são montados em uma superfície plástica flexível utilizando uma camada adesiva. Os adesivos também contêm sensores de umidade e temperatura.
Os pesquisadores irão fixar vários adesivos sensoriais em um poste, posicioná-los em diferentes alturas e, em seguida, enterrar o poste no solo. Essa configuração permitiu que eles fizessem medições em diferentes profundidades do solo.
“Ao medir nitrato, umidade e temperatura em diferentes profundidades, agora podemos quantificar o processo de lixiviação de nitrato e entender como o nitrato se move pelo solo, o que não era possível antes”, disse Andrews.
No verão de 2024, os pesquisadores planejam instalar 30 hastes sensoras no solo da Estação de Pesquisa Agrícola de Hancock e da Estação de Pesquisa Agrícola de Arlington, na Universidade de Wisconsin-Madison, para testar ainda mais o sensor.