Các cảm biến đất mới có thể cải thiện hiệu quả bón phân cho cây trồng.

Phân bón chứa nitơ được sử dụng để tăng sản lượng lương thực, nhưng khí thải của chúng có thể gây ô nhiễm môi trường. Để tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên, nâng cao năng suất nông nghiệp và giảm thiểu rủi ro môi trường, việc giám sát liên tục và theo thời gian thực các đặc tính của đất, chẳng hạn như nhiệt độ đất và lượng khí thải phân bón, là rất cần thiết. Một cảm biến đa thông số là cần thiết cho nông nghiệp thông minh hoặc nông nghiệp chính xác để theo dõi lượng khí thải NOX và nhiệt độ đất nhằm tối ưu hóa việc bón phân.

Giáo sư liên kết James L. Henderson, Jr. về Khoa học Kỹ thuật và Cơ học tại Đại học Penn State, Huanyu “Larry” Cheng đã dẫn đầu việc phát triển một cảm biến đa thông số có khả năng tách thành công tín hiệu nhiệt độ và nitơ để cho phép đo chính xác từng tín hiệu.

Cheng nói,“Để bón phân hiệu quả, cần phải theo dõi liên tục và theo thời gian thực các điều kiện đất, đặc biệt là khả năng sử dụng nitơ và nhiệt độ đất. Điều này rất cần thiết để đánh giá sức khỏe cây trồng, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy nền nông nghiệp bền vững và chính xác.”

Nghiên cứu này nhằm mục đích sử dụng lượng phân bón phù hợp để đạt năng suất cây trồng tốt nhất. Sản lượng cây trồng có thể thấp hơn nếu sử dụng quá nhiều nitơ. Khi bón phân quá mức, phân bón sẽ bị lãng phí, cây trồng có thể bị cháy lá và khí nitơ độc hại được thải ra môi trường. Nông dân có thể đạt được mức phân bón lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng nhờ vào việc phát hiện chính xác nồng độ nitơ.

Đồng tác giả Li Yang, giáo sư tại Trường Trí tuệ Nhân tạo thuộc Đại học Công nghệ Hà Bắc, Trung Quốc, cho biết:“Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng, tác động đến các quá trình vật lý, hóa học và vi sinh trong đất. Việc giám sát liên tục cho phép nông dân xây dựng các chiến lược và biện pháp can thiệp khi nhiệt độ quá nóng hoặc quá lạnh đối với cây trồng của họ.”

Theo Cheng, các cơ chế cảm biến có thể thu được các phép đo khí nitơ và nhiệt độ một cách độc lập với nhau rất hiếm khi được báo cáo. Cả khí và nhiệt độ đều có thể gây ra sự thay đổi trong giá trị điện trở của cảm biến, khiến việc phân biệt giữa chúng trở nên khó khăn.

Nhóm nghiên cứu của Cheng đã tạo ra một cảm biến hiệu suất cao có thể phát hiện sự thất thoát nitơ mà không phụ thuộc vào nhiệt độ đất. Cảm biến này được làm từ bọt graphene được tạo ra bằng laser và pha tạp oxit vanadi, và người ta đã phát hiện ra rằng việc pha tạp các phức chất kim loại vào graphene giúp cải thiện khả năng hấp phụ khí và độ nhạy phát hiện.

Do màng mềm bảo vệ cảm biến và ngăn khí nitơ thẩm thấu, cảm biến chỉ phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Cảm biến cũng có thể được sử dụng mà không cần lớp bảo vệ và ở nhiệt độ cao hơn.

Điều này cho phép đo chính xác khí nitơ bằng cách loại trừ ảnh hưởng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ đất. Nhiệt độ và khí nitơ có thể được tách biệt hoàn toàn và không bị nhiễu bằng cách sử dụng các cảm biến kín và không kín.

Nhà nghiên cứu cho biết việc tách rời sự thay đổi nhiệt độ và lượng khí thải nitơ có thể được sử dụng để tạo ra và triển khai các thiết bị đa phương thức với cơ chế cảm biến độc lập, phục vụ cho nông nghiệp chính xác trong mọi điều kiện thời tiết.

Cheng cho biết: “Khả năng phát hiện đồng thời nồng độ oxit nitơ cực thấp và những thay đổi nhiệt độ nhỏ mở đường cho sự phát triển của các thiết bị điện tử đa phương thức trong tương lai với cơ chế cảm biến tách rời, phục vụ cho nông nghiệp chính xác, giám sát sức khỏe và các ứng dụng khác.”

Nghiên cứu của Cheng được tài trợ bởi Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Đại học Penn State và Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc.