เซ็นเซอร์ตรวจวัดดินแบบใหม่ อาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใส่ปุ๋ยพืชผลได้

ปุ๋ยที่มีไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มผลผลิตทางการเกษตร แต่การปล่อยก๊าซจากปุ๋ยอาจก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม เพื่อให้การใช้ทรัพยากรมีประสิทธิภาพสูงสุด เพิ่มผลผลิตทางการเกษตร และลดความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อม การตรวจสอบคุณสมบัติของดินอย่างต่อเนื่องและแบบเรียลไทม์ เช่น อุณหภูมิของดินและการปล่อยก๊าซจากปุ๋ย จึงเป็นสิ่งสำคัญ เซ็นเซอร์แบบหลายพารามิเตอร์มีความจำเป็นสำหรับเกษตรอัจฉริยะหรือเกษตรแม่นยำ เพื่อติดตามการปล่อยก๊าซ NOX และอุณหภูมิของดินสำหรับการใส่ปุ๋ยอย่างเหมาะสมที่สุด

ศาสตราจารย์เกียรติคุณเจมส์ แอล. เฮนเดอร์สัน จูเนียร์ สาขาวิทยาศาสตร์และกลศาสตร์วิศวกรรมศาสตร์ แห่งมหาวิทยาลัยเพนน์สเตท ฮวนหยู “แลร์รี่” เฉิง เป็นผู้นำในการพัฒนาเซ็นเซอร์หลายพารามิเตอร์ที่สามารถแยกสัญญาณอุณหภูมิและไนโตรเจนได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถวัดค่าแต่ละอย่างได้อย่างถูกต้อง

เฉิงกล่าวว่า“เพื่อการใส่ปุ๋ยอย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบสภาพดินอย่างต่อเนื่องและแบบเรียลไทม์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้ประโยชน์ของไนโตรเจนและอุณหภูมิของดิน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการประเมินสุขภาพพืช ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมการเกษตรที่ยั่งยืนและแม่นยำ”

งานวิจัยนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ปริมาณปุ๋ยที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลผลิตพืชที่ดีที่สุด ผลผลิตพืชอาจต่ำกว่าที่ควรจะเป็นหากใช้ไนโตรเจนมากเกินไป เมื่อใส่ปุ๋ยมากเกินไป ปุ๋ยจะสูญเปล่า พืชอาจไหม้ และปล่อยควันไนโตรเจนที่เป็นพิษสู่สิ่งแวดล้อม เกษตรกรสามารถกำหนดระดับปุ๋ยที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของพืชได้ด้วยความช่วยเหลือจากการตรวจวัดระดับไนโตรเจนที่แม่นยำ

หลี่ หยาง ผู้ร่วมเขียน ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ประจำคณะปัญญาประดิษฐ์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเหอเป่ย ประเทศจีน กล่าวว่า“การเจริญเติบโตของพืชได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิเช่นกัน ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการทางกายภาพ เคมี และจุลชีววิทยาในดิน การตรวจสอบอย่างต่อเนื่องช่วยให้เกษตรกรสามารถพัฒนากลยุทธ์และมาตรการแก้ไขเมื่ออุณหภูมิสูงหรือต่ำเกินไปสำหรับพืชผลของพวกเขา”

ตามที่เฉิงกล่าวไว้ กลไกการตรวจจับที่สามารถวัดก๊าซไนโตรเจนและอุณหภูมิได้อย่างอิสระจากกันนั้น มีรายงานน้อยมาก ทั้งก๊าซและอุณหภูมิสามารถทำให้ค่าความต้านทานของเซ็นเซอร์เปลี่ยนแปลงไป ทำให้ยากต่อการแยกแยะความแตกต่างระหว่างทั้งสอง

ทีมของเฉิงได้สร้างเซนเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่สามารถตรวจจับการสูญเสียไนโตรเจนได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของดิน เซนเซอร์นี้ทำจากโฟมกราฟีนที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์และเติมสารออกไซด์ของวาเนเดียมลงไป และพบว่าการเติมสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะลงในกราฟีนช่วยเพิ่มการดูดซับก๊าซและความไวในการตรวจจับ

เนื่องจากมีเยื่ออ่อนนุ่มปกป้องเซ็นเซอร์และป้องกันการซึมผ่านของก๊าซไนโตรเจน เซ็นเซอร์จึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น นอกจากนี้ เซ็นเซอร์ยังสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องมีวัสดุห่อหุ้มและที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้อีกด้วย

วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดก๊าซไนโตรเจนได้อย่างแม่นยำโดยตัดผลกระทบจากความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิของดินออกไป อุณหภูมิและก๊าซไนโตรเจนสามารถแยกออกจากกันได้อย่างสมบูรณ์และปราศจากการรบกวน โดยใช้เซ็นเซอร์แบบปิดและแบบไม่หุ้ม

นักวิจัยกล่าวว่า การแยกการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกจากกัน สามารถนำมาใช้สร้างและใช้งานอุปกรณ์หลายโหมดที่มีกลไกการตรวจจับแบบแยกส่วน เพื่อการเกษตรแม่นยำในทุกสภาพอากาศ

เฉิงกล่าวว่า “ความสามารถในการตรวจจับความเข้มข้นของไนโตรเจนออกไซด์ที่ต่ำมากและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยพร้อมกันนั้น ปูทางไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบมัลติโมดอลในอนาคตที่มีกลไกการตรวจจับแบบแยกส่วนสำหรับการเกษตรแม่นยำ การตรวจสอบสุขภาพ และการใช้งานอื่นๆ”

งานวิจัยของเฉิงได้รับการสนับสนุนทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ มหาวิทยาลัยเพนน์สเตท และมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน