วิศวกรจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสันได้พัฒนาเซ็นเซอร์ดินราคาประหยัด

Shuohao Cai นักศึกษาปริญญาเอกสาขาดินวิทยา วางแท่งเซ็นเซอร์พร้อมสติกเกอร์เซ็นเซอร์อเนกประสงค์ที่ช่วยให้วัดค่าในดินได้ในระดับความลึกต่างๆ ที่สถานีวิจัยเกษตร Hancock มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน
แมดิสัน — วิศวกรจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน ได้พัฒนาเซ็นเซอร์ราคาประหยัดที่สามารถตรวจสอบปริมาณไนเตรตในดินทั่วไปของรัฐวิสคอนซินได้อย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีแบบพิมพ์เหล่านี้สามารถช่วยให้เกษตรกรตัดสินใจจัดการสารอาหารได้อย่างชาญฉลาดยิ่งขึ้นและได้รับประโยชน์ทางเศรษฐกิจ
“เซ็นเซอร์ของเราช่วยให้เกษตรกรเข้าใจสถานะทางโภชนาการของดินและปริมาณไนเตรตที่มีอยู่ในพืชได้ดีขึ้น ช่วยให้พวกเขาตัดสินใจได้แม่นยำยิ่งขึ้นว่าต้องการปุ๋ยในปริมาณเท่าใด” โจเซฟ แอนดรูว์ส ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว งานวิจัยนี้นำโดยคณะวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน “หากพวกเขาสามารถลดปริมาณการซื้อปุ๋ยได้ การประหยัดต้นทุนอาจมีความสำคัญอย่างมากสำหรับฟาร์มขนาดใหญ่”
ไนเตรตเป็นสารอาหารจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่ไนเตรตส่วนเกินสามารถชะล้างออกจากดินและไหลลงสู่แหล่งน้ำใต้ดินได้ การปนเปื้อนประเภทนี้เป็นอันตรายต่อผู้ที่ดื่มน้ำบาดาลที่ปนเปื้อนและเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม เซ็นเซอร์ใหม่ของนักวิจัยยังสามารถใช้เป็นเครื่องมือวิจัยทางการเกษตรเพื่อติดตามการชะล้างไนเตรตและช่วยพัฒนาแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการบรรเทาผลกระทบที่เป็นอันตราย
วิธีการตรวจวัดไนเตรตในดินในปัจจุบันนั้นใช้แรงงานมาก มีราคาแพง และไม่ได้ให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์ ด้วยเหตุนี้ แอนดรูว์ส ผู้เชี่ยวชาญด้านอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์และทีมงานของเขาจึงมุ่งมั่นที่จะสร้างสรรค์โซลูชันที่ดีกว่าและประหยัดกว่า
ในโครงการนี้ นักวิจัยใช้กระบวนการพิมพ์อิงค์เจ็ทเพื่อสร้างเซ็นเซอร์โพเทนชิโอเมตริก ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีแบบฟิล์มบางชนิดหนึ่ง เซ็นเซอร์โพเทนชิโอเมตริกมักใช้เพื่อวัดไนเตรตในสารละลายของเหลวอย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์เหล่านี้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมดิน เนื่องจากอนุภาคดินขนาดใหญ่อาจทำให้เซ็นเซอร์เกิดรอยขีดข่วนและทำให้การวัดไม่แม่นยำ
“ความท้าทายหลักที่เราพยายามแก้ไขคือการหาวิธีทำให้เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีเหล่านี้ทำงานได้อย่างถูกต้องในสภาวะดินที่เลวร้ายและตรวจจับไอออนไนเตรตได้อย่างแม่นยำ” แอนดรูว์สกล่าว
วิธีแก้ปัญหาของทีมคือการวางชั้นโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ไว้บนเซ็นเซอร์ แอนดรูว์สกล่าวว่าวัสดุนี้มีคุณสมบัติสำคัญสองประการ ประการแรกคือมีรูพรุนขนาดเล็กมาก ขนาดประมาณ 400 นาโนเมตร ซึ่งช่วยให้ไอออนไนเตรตสามารถผ่านเข้าไปได้และปิดกั้นอนุภาคของดิน ประการที่สองคือมีคุณสมบัติชอบน้ำ กล่าวคือสามารถดึงดูดและดูดซับน้ำได้เหมือนฟองน้ำ
“ดังนั้น น้ำที่อุดมด้วยไนเตรตจะซึมเข้าสู่เซ็นเซอร์ของเราได้ดีกว่า ซึ่งสำคัญมาก เพราะดินก็เหมือนฟองน้ำ และคุณจะแพ้ในการดูดซับความชื้นเข้าสู่เซ็นเซอร์หากไม่สามารถดูดซับน้ำได้ในระดับเดียวกัน ศักยภาพของดิน” แอนดรูว์กล่าว “คุณสมบัติของชั้นโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์เหล่านี้ช่วยให้เราสกัดน้ำที่อุดมด้วยไนเตรต ส่งไปยังพื้นผิวเซ็นเซอร์ และตรวจจับไนเตรตได้อย่างแม่นยำ”
นักวิจัยได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับความคืบหน้าของพวกเขาในเอกสารที่ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials Technology เมื่อเดือนมีนาคม 2024
ทีมงานได้ทดสอบเซ็นเซอร์ของตนในดินสองประเภทที่แตกต่างกันซึ่งเกี่ยวข้องกับวิสคอนซิน ได้แก่ ดินทราย ซึ่งมักพบในตอนกลางตอนเหนือของรัฐ และดินร่วนปนทราย ซึ่งมักพบในวิสคอนซินตะวันตกเฉียงใต้ และพบว่าเซ็นเซอร์ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ
ขณะนี้นักวิจัยกำลังผสานเซ็นเซอร์ไนเตรตเข้ากับระบบเซ็นเซอร์อเนกประสงค์ที่พวกเขาเรียกว่า "สติกเกอร์เซ็นเซอร์" ซึ่งเซ็นเซอร์สามประเภทที่แตกต่างกันจะติดตั้งบนพื้นผิวพลาสติกที่มีความยืดหยุ่นโดยใช้กาวติดด้านหลัง สติกเกอร์ยังประกอบด้วยเซ็นเซอร์ความชื้นและอุณหภูมิอีกด้วย
นักวิจัยจะติดสติกเกอร์สัมผัสหลายอันลงบนเสา วางไว้ในระดับความสูงต่างๆ แล้วฝังเสาลงในดิน การจัดวางแบบนี้ช่วยให้สามารถวัดความลึกของดินได้หลายระดับ
“การวัดไนเตรต ความชื้น และอุณหภูมิที่ระดับความลึกต่างๆ ทำให้เราสามารถระบุปริมาณกระบวนการชะล้างไนเตรตได้ และเข้าใจได้ว่าไนเตรตเคลื่อนตัวผ่านดินอย่างไร ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่สามารถทำได้” แอนดรูว์สกล่าว
ในช่วงฤดูร้อนปี 2024 นักวิจัยวางแผนที่จะวางแท่งเซ็นเซอร์ 30 แท่งลงในดินที่สถานีวิจัยการเกษตร Hancock และสถานีวิจัยการเกษตร Arlington ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน เพื่อทดสอบเซ็นเซอร์เพิ่มเติม