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

Fertilizantes nitrogenados são utilizados 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 e emissão de fertilizantes, é essencial. Um sensor multiparâmetro é necessário para a agricultura inteligente ou de precisão, permitindo o rastreamento das emissões de gases NOx e da temperatura do solo para otimizar a fertilização.

O professor associado de Engenharia e Mecânica da Penn State, Huanyu “Larry” Cheng, que ocupa a cátedra James L. Henderson Jr., liderou o desenvolvimento de um sensor multiparamétrico que separa com sucesso os sinais de temperatura e nitrogênio, permitindo 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, especificamente a utilização de nitrogênio e a 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 obter a melhor produtividade da lavoura. A produção agrícola pode ser menor do que o potencial máximo se for utilizado nitrogênio em excesso. Quando o fertilizante é aplicado em excesso, ocorre desperdício, 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 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 capazes de obter medições de nitrogênio gasoso e temperatura independentemente uma da outra são raramente 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 capaz de detectar a perda de nitrogênio independentemente da temperatura do solo. O sensor é feito de espuma de grafeno induzida por laser e dopada com óxido de vanádio, e descobriu-se que a dopagem de complexos metálicos no grafeno melhora a adsorção de gases e a sensibilidade de detecção.

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

Isso permite a 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, utilizando sensores encapsulados e não encapsulados.

O pesquisador afirmou que a separação entre as mudanças de temperatura e as emissões de nitrogênio poderia ser usada para criar e implementar dispositivos multimodais com mecanismos de sensoriamento independentes para agricultura de precisão em todas as condições climáticas.

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

A pesquisa de Cheng foi financiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação Nacional de Ciência, pela Universidade Estadual da Pensilvânia e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.