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

Os fertilizantes que contêm azoto são utilizados para aumentar a produção de alimentos, mas as suas emissões podem poluir o ambiente.Para maximizar a utilização de recursos, aumentar os rendimentos agrícolas e reduzir os riscos ambientais, é essencial a monitorização contínua e em tempo real das propriedades do solo, como a temperatura do solo e a emissão de fertilizantes.Um sensor multiparâmetro é necessário para uma agricultura inteligente ou de precisão para monitorar as emissões de gases NOX e a temperatura do solo para obter a melhor fertilização.

James L. Henderson, Jr. Memorial Professor Associado de Ciência da 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 um monitoramento contínuo e em tempo real das condições do solo, especificamente da utilização do nitrogênio e da temperatura do solo.Isto 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 fosse utilizado mais nitrogênio.Quando o fertilizante é aplicado excessivamente, ele é desperdiçado, as plantas podem queimar e gases 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 do nível 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 impactado pela temperatura, que influencia os processos físicos, químicos e microbiológicos do solo.A monitorização contínua permite aos agricultores desenvolver estratégias e intervenções quando as temperaturas são demasiado altas ou demasiado frias para as suas culturas.”

De acordo com Cheng, mecanismos de detecção que podem obter medições de gás nitrogênio e temperatura independentes umas das outras raramente são relatados.Tanto os gases quanto a temperatura podem causar variações na leitura da resistência do sensor, dificultando a distinção entre eles.

A equipe de Cheng criou um sensor de alto desempenho que pode detectar a perda de nitrogênio independentemente da temperatura do solo.O sensor é feito de espuma de grafeno induzida por laser, dopada com óxido de vanádio, e foi descoberto que complexos metálicos dopantes em grafeno melhoram a adsorção de gás e a sensibilidade de detecção.

Como uma membrana macia protege o sensor e evita a permeação do gás nitrogênio, o sensor reage apenas às mudanças de temperatura.O sensor também pode ser usado sem encapsulamento e em temperaturas mais altas.

Isto permite uma medição precisa do gás nitrogênio, excluindo os efeitos da umidade relativa e da temperatura do solo.A temperatura e o gás nitrogênio podem ser totalmente desacoplados sem interferências usando os sensores fechados e não encapsulados.

O pesquisador disse que a dissociação das mudanças de temperatura e das emissões de gás nitrogênio poderia ser usada para criar e implementar dispositivos multimodais com mecanismos de detecção dissociados 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 National Science Foundation, pela Penn State e pela Chinese National Natural Science Foundation.