Novos sensores de solo podem melhorar a eficiência da fertilização das culturas

Fertilizantes contendo nitrogênio são usados para aumentar a produção de alimentos, mas suas emissões podem poluir o meio ambiente. Para maximizar o uso de recursos, aumentar a produtividade agrícola e reduzir os riscos ambientais, o monitoramento contínuo e em tempo real das propriedades do solo, como temperatura do solo e emissão de fertilizantes, é essencial. Um sensor multiparâmetro é necessário para a agricultura inteligente ou de precisão para monitorar as emissões de gases NOX e a temperatura do solo para a melhor fertilização.

James L. Henderson, Jr. Professor Associado Memorial de Engenharia e Mecânica na Penn State Huanyu “Larry” Cheng liderou o desenvolvimento de um sensor multiparâmetro que separa com sucesso os sinais de temperatura e nitrogênio para permitir a medição precisa de cada um.

Cheng disse,Para uma fertilização eficiente, é necessário o monitoramento contínuo e em tempo real das condições do solo, especialmente da utilização de nitrogênio e da temperatura do solo. Isso é essencial para avaliar a saúde das culturas, reduzir a poluição ambiental e promover uma agricultura sustentável e de precisão.

O estudo visa empregar a quantidade adequada para o melhor rendimento da cultura. A produção da cultura pode ser menor do que seria se mais nitrogênio fosse utilizado. Quando o fertilizante é aplicado em excesso, ele é desperdiçado, as plantas podem queimar e vapores tóxicos de nitrogênio são liberados no meio ambiente. Os agricultores podem atingir os níveis ideais de fertilizante para o crescimento das plantas com a ajuda da detecção precisa dos níveis de nitrogênio.

O coautor Li Yang, professor da Escola de Inteligência Artificial da Universidade de Tecnologia de Hebei, na China, disse:O crescimento das plantas também é afetado pela temperatura, que influencia os processos físicos, químicos e microbiológicos do solo. O monitoramento contínuo permite que os agricultores desenvolvam estratégias e intervenções quando as temperaturas estão muito altas ou muito baixas para suas plantações.

Segundo Cheng, mecanismos de detecção que conseguem obter medições de nitrogênio gasoso e temperatura independentemente são raramente relatados. Tanto gases quanto temperatura podem causar variações na leitura de resistência do sensor, dificultando a distinção entre eles.

A equipe de Cheng criou um sensor de alto desempenho capaz de detectar perdas de nitrogênio independentemente da temperatura do solo. O sensor é feito de espuma de grafeno dopada com óxido de vanádio e induzida por laser. Foi descoberto que a dopagem de complexos metálicos no grafeno melhora a adsorção de gás e a sensibilidade da detecção.

Como uma membrana macia protege o sensor e impede a permeação de nitrogênio gasoso, o sensor reage exclusivamente a mudanças de temperatura. O sensor também pode ser usado sem encapsulamento e em temperaturas mais altas.

Isso permite a medição precisa do nitrogênio gasoso, excluindo os efeitos da umidade relativa e da temperatura do solo. A temperatura e o nitrogênio gasoso podem ser totalmente dissociados, sem interferências, usando sensores encapsulados e não encapsulados.

O pesquisador disse que o desacoplamento das mudanças de temperatura e das emissões de gás nitrogênio poderia ser usado para criar e implementar dispositivos multimodais com mecanismos de detecção desacoplados para agricultura de precisão em todas as condições climáticas.

Cheng disse: “A capacidade de detectar simultaneamente concentrações ultrabaixas de óxido de nitrogênio e pequenas mudanças de temperatura abre caminho para o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos multimodais com mecanismos de detecção desacoplados para agricultura de precisão, monitoramento de saúde e outras aplicações”.

A pesquisa de Cheng foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação Nacional de Ciências, pela Penn State e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.