Cảm biến đất mới có thể cải thiện hiệu quả bón phân cho cây trồng

Phân bón có chứa nitơ được sử dụng để tăng sản lượng lương thực, nhưng lượng 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 rủi ro môi trường, việc giám sát liên tục và theo thời gian thực các đặc tính của đất, như nhiệt độ đất và lượng phát thải phân bón, là điều cần thiết.Cảm biến đa thông số là cần thiết cho nền nông nghiệp thông minh hoặc chính xác để theo dõi lượng khí thải NOX và nhiệt độ đất để bón phân tốt nhất.

James L. Henderson, Jr. Memorial Phó Giáo sư Khoa học Kỹ thuật và Cơ học tại Penn State Huanyu “Larry” Cheng đã dẫn đầu việc phát triển cảm biến đa thông số giúp phân 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 của 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 ô nhiễm môi trường và thúc đẩy nông nghiệp bền vững và chính xác.”

Nghiên cứu nhằm mục đích sử dụng số lượng thích hợp để đạt năng suất cây trồng tốt nhất.Năng suất cây trồng có thể thấp hơn nếu sử dụng nhiều nitơ hơn.Khi bón quá nhiều phân sẽ bị lãng phí, cây có thể bị cháy và khói 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 việc phát hiện mức nitơ chính xác.

Đồng tác giả Li Yang, giáo sư tại Trường Trí tuệ nhân tạo tại Đại học Công nghệ Hà Bắc của Trung Quốc, cho biết:“Sự phát triển của thực vật cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ảnh hưởng đến các quá trình vật lý, hóa học và vi sinh trong đất.Việc giám sát liên tục cho phép nông dân phát triển 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 chất khí và nhiệt độ đều có thể gây ra sự thay đổi trong chỉ số điện trở của cảm biến, khiến việc phân biệt giữa 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 bằng bọt graphene được tạo ra bằng tia laser, pha tạp oxit vanadi và người ta đã phát hiện ra rằng các phức kim loại pha tạp trong graphene cải thiện độ nhạy phát hiện và hấp phụ khí.

Vì màng mềm bảo vệ cảm biến và ngăn chặn sự thẩm thấu của khí nitơ nên cảm biến chỉ phản ứng với những thay đổi về nhiệt độ.Cảm biến cũng có thể được sử dụng mà không cần đóng gói 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 rời hoàn toàn và không bị nhiễu bằng cách sử dụng các cảm biến kèm theo và không được bọc 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 tách rời 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 sẽ 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 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, Bang Pennsylvania và Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc.