แมดิสัน – วิศวกรจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน ได้พัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจวัดดินราคาประหยัด

ชูโอฮ่าว ไฉ นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิทยาศาสตร์ดิน กำลังติดตั้งแท่งเซนเซอร์ที่มีสติกเกอร์เซนเซอร์อเนกประสงค์ ซึ่งช่วยให้สามารถวัดค่าต่างๆ ในดินได้ ณ สถานีวิจัยทางการเกษตรแฮนค็อก มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน
แมดิสัน — วิศวกรจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน ได้พัฒนาเซนเซอร์ราคาประหยัดที่สามารถตรวจสอบไนเตรตในดินประเภทต่างๆ ทั่วไปของวิสคอนซินได้อย่างต่อเนื่องและแบบเรียลไทม์ เซนเซอร์อิเล็กโทรเคมีแบบพิมพ์เหล่านี้สามารถช่วยให้เกษตรกรตัดสินใจด้านการจัดการธาตุอาหารได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และได้รับผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ
“เซ็นเซอร์ของเราสามารถช่วยให้เกษตรกรเข้าใจสถานะทางโภชนาการของดินและปริมาณไนเตรตที่มีอยู่สำหรับพืชได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยให้พวกเขาตัดสินใจได้อย่างแม่นยำมากขึ้นว่าพวกเขาต้องการปุ๋ยมากแค่ไหน” โจเซฟ แอนดรูว์ส ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว งานวิจัยนี้ดำเนินการโดยคณะวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน “หากพวกเขาสามารถลดปริมาณปุ๋ยที่ซื้อได้ การประหยัดต้นทุนอาจมีนัยสำคัญสำหรับฟาร์มขนาดใหญ่”
ไนเตรตเป็นสารอาหารที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่ไนเตรตส่วนเกินอาจซึมออกจากดินและเข้าสู่แหล่งน้ำใต้ดิน การปนเปื้อนประเภทนี้เป็นอันตรายต่อผู้ที่ดื่มน้ำบาดาลที่ปนเปื้อน และเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม เซ็นเซอร์ใหม่ของนักวิจัยยังสามารถใช้เป็นเครื่องมือวิจัยทางการเกษตรเพื่อตรวจสอบการซึมของไนเตรตและช่วยพัฒนาแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการลดผลกระทบที่เป็นอันตรายได้อีกด้วย
วิธีการตรวจสอบไนเตรตในดินในปัจจุบันนั้นต้องใช้แรงงานมาก มีราคาแพง และไม่ให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์ นั่นคือเหตุผลที่แอนดรูว์ส ผู้เชี่ยวชาญด้านอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์ และทีมงานของเขาจึงเริ่มต้นสร้างวิธีการที่ดีกว่าและประหยัดกว่า
ในโครงการนี้ นักวิจัยได้ใช้กระบวนการพิมพ์อิงค์เจ็ทเพื่อสร้างเซนเซอร์แบบโพเทนชิโอเมตริก ซึ่งเป็นเซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าแบบฟิล์มบางชนิดหนึ่ง เซนเซอร์แบบโพเทนชิโอเมตริกมักใช้ในการวัดไนเตรตในสารละลายได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม เซนเซอร์เหล่านี้โดยทั่วไปไม่เหมาะสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมของดิน เนื่องจากอนุภาคดินขนาดใหญ่สามารถขีดข่วนเซนเซอร์และขัดขวางการวัดที่แม่นยำได้
แอนดรูว์กล่าวว่า “ความท้าทายหลักที่เราพยายามแก้ไขคือการหาวิธีทำให้เซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าเหล่านี้ทำงานได้อย่างถูกต้องในสภาพดินที่รุนแรง และตรวจจับไอออนไนเตรตได้อย่างแม่นยำ”
วิธีแก้ปัญหาของทีมคือการวางชั้นของโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ลงบนเซ็นเซอร์ แอนดรูว์กล่าวว่าวัสดุนี้มีคุณสมบัติสำคัญสองประการ ประการแรก มันมีรูพรุนขนาดเล็กมาก ประมาณ 400 นาโนเมตร ซึ่งช่วยให้ไอออนไนเตรตผ่านได้ในขณะที่ปิดกั้นอนุภาคดิน ประการที่สอง มันเป็นวัสดุที่ชอบน้ำ กล่าวคือ มันดึงดูดน้ำและดูดซับน้ำเหมือนฟองน้ำ
“ดังนั้น น้ำที่มีไนเตรตสูงจะซึมเข้าสู่เซ็นเซอร์ของเราได้ง่ายกว่า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมาก เพราะดินก็เหมือนฟองน้ำ และคุณจะแพ้ในการต่อสู้เรื่องความชื้นที่จะเข้าไปในเซ็นเซอร์หากคุณไม่สามารถทำให้ดินดูดซับน้ำได้มากพอ” แอนดรูว์กล่าว “คุณสมบัติเหล่านี้ของชั้นโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ช่วยให้เราสามารถดึงน้ำที่มีไนเตรตสูง ส่งไปยังพื้นผิวเซ็นเซอร์ และตรวจจับไนเตรตได้อย่างแม่นยำ”
นักวิจัยได้อธิบายความคืบหน้าโดยละเอียดในบทความที่ตีพิมพ์ในเดือนมีนาคม 2024 ในวารสาร Advanced Materials Technology
ทีมวิจัยได้ทดสอบเซนเซอร์ของพวกเขาในดินสองประเภทที่แตกต่างกันซึ่งพบได้ในรัฐวิสคอนซิน ได้แก่ ดินทราย ซึ่งพบได้ทั่วไปในภาคกลางตอนเหนือของรัฐ และดินร่วนปนทราย ซึ่งพบได้ทั่วไปในภาคตะวันตกเฉียงใต้ของรัฐวิสคอนซิน และพบว่าเซนเซอร์ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ
ขณะนี้นักวิจัยกำลังบูรณาการเซนเซอร์ตรวจจับไนเตรตเข้ากับระบบเซนเซอร์อเนกประสงค์ที่พวกเขาเรียกว่า "เซนเซอร์สติ๊กเกอร์" ซึ่งประกอบด้วยเซนเซอร์สามประเภทที่ติดตั้งอยู่บนพื้นผิวพลาสติกที่ยืดหยุ่นได้โดยใช้แผ่นกาวด้านหลัง เซนเซอร์สติ๊กเกอร์นี้ยังประกอบด้วยเซนเซอร์วัดความชื้นและอุณหภูมิอีกด้วย
นักวิจัยจะติดสติกเกอร์รับรู้หลายชิ้นเข้ากับเสา วางไว้ในระดับความสูงที่แตกต่างกัน แล้วฝังเสาลงในดิน การจัดเตรียมเช่นนี้ทำให้พวกเขาสามารถวัดค่าต่างๆ ในระดับความลึกของดินได้
แอนดรูว์กล่าวว่า “ด้วยการวัดปริมาณไนเตรต ความชื้น และอุณหภูมิในระดับความลึกต่างๆ เราจึงสามารถวัดปริมาณกระบวนการชะล้างไนเตรตและเข้าใจการเคลื่อนที่ของไนเตรตผ่านดินได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้มาก่อน”
ในช่วงฤดูร้อนของปี 2024 นักวิจัยวางแผนที่จะติดตั้งแท่งเซนเซอร์ 30 แท่งลงในดินที่สถานีวิจัยทางการเกษตรแฮนค็อกและสถานีวิจัยทางการเกษตรอาร์ลิงตัน ณ มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน เพื่อทดสอบเซนเซอร์เพิ่มเติม