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 theo dõi liên tục và theo thời gian thực các đặc tính của đất, chẳng hạn như nhiệt độ đất và lượng phân bón phát thải, là điều cần thiết. Một cảm biến đa thông số là cần thiết cho nông nghiệp thông minh hoặc chính xác để theo dõi lượng khí thải NOX và nhiệt độ đất nhằm tối ưu hóa việc bón phân.

James L. Henderson, Jr. Phó Giáo sư Khoa học Kỹ thuật và Cơ học tại Penn State Huanyu “Larry” Cheng đã dẫn đầu quá trình phát triển cảm biến đa thông số có thể tách tín hiệu nhiệt độ và nitơ thành công để đo lường chính xác từng thông số.

Cheng nói,“Để bón phân hiệu quả, cần theo dõi liên tục và theo thời gian thực các điều kiện đất, đặc biệt là việc sử dụng nitơ và nhiệt độ đất. Điều này rất cần thiết để đánh giá sức khỏe cây trồng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy 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 tối ưu. Năng suất cây trồng có thể thấp hơn nếu bón quá nhiều đạm. Khi bón quá nhiều đạm, phân bón sẽ bị lãng phí, cây trồng có thể bị cháy và khí nitơ độc hại sẽ thải ra môi trường. Nông dân có thể đạt được mức phân bón lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng với sự trợ giúp của thiết bị đo nồng độ đạm chính xác.

Đồng tác giả Li Yang, giáo sư tại Khoa Trí tuệ nhân tạo thuộc Đại học Công nghệ Hà Bắc, Trung Quốc, cho biết:“Sự phát triển của cây trồng cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, điều này tác động đến các quá trình vật lý, hóa học và vi sinh vật trong đất. Việc theo dõi 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 độc lập với nhau 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 chúng trở nên khó khăn.

Nhóm của Cheng đã tạo ra một cảm biến hiệu suất cao có thể phát hiện sự mất nitơ độc lập với nhiệt độ đất. Cảm biến được làm từ bọt graphene được pha tạp oxit vanadi, tạo ra bằng laser, và người ta đã phát hiện ra rằng các phức hợp kim loại pha tạp trong graphene cải thiện khả năng hấp phụ khí và độ nhạy phát hiện.

Nhờ màng mềm bảo vệ cảm biến và ngăn chặn sự thẩm thấu khí nitơ, cảm biến chỉ phản ứng với những thay đổi về nhiệt độ. Cảm biến cũng có thể được sử dụng mà không cần bao bọc 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 những thay đổi về nhiệt độ và 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 tách rời 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 nhỏ về nhiệt độ 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, theo dõi sức khỏe và các ứng dụng khác.”

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