เซ็นเซอร์ดินใหม่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใส่ปุ๋ยพืชผลได้

ปุ๋ยที่มีไนโตรเจนถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มการผลิตอาหาร แต่การปล่อยก๊าซเรือนกระจกอาจก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมในการเพิ่มการใช้ทรัพยากร เพิ่มผลผลิตทางการเกษตร และลดความเสี่ยงด้านสิ่งแวดล้อม การตรวจสอบคุณสมบัติของดินอย่างต่อเนื่องและแบบเรียลไทม์ เช่น อุณหภูมิของดินและการปล่อยปุ๋ย ถือเป็นสิ่งสำคัญเซ็นเซอร์หลายพารามิเตอร์จำเป็นสำหรับการเกษตรที่ชาญฉลาดหรือแม่นยำเพื่อติดตามการปล่อยก๊าซ NOX และอุณหภูมิดินเพื่อการปฏิสนธิที่ดีที่สุด

James L. Henderson รองศาสตราจารย์ Memorial สาขาวิชาวิศวกรรมศาสตร์และกลศาสตร์ที่ Penn State Huanyu “Larry” Cheng เป็นผู้นำการพัฒนาเซ็นเซอร์หลายพารามิเตอร์ที่ประสบความสำเร็จในการแยกสัญญาณอุณหภูมิและไนโตรเจนเพื่อให้สามารถตรวจวัดสัญญาณแต่ละตัวได้อย่างแม่นยำ

เฉิงกล่าวว่า“เพื่อการปฏิสนธิที่มีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบสภาพดินอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ โดยเฉพาะการใช้ไนโตรเจนและอุณหภูมิของดินนี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการประเมินสุขภาพของพืชผล ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมการเกษตรที่ยั่งยืนและแม่นยำ”

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลผลิตพืชผลที่ดีที่สุดผลผลิตของพืชอาจต่ำกว่าที่ควรจะเป็นหากใช้ไนโตรเจนมากขึ้นเมื่อใช้ปุ๋ยมากเกินไป มันจะสูญเปล่า พืชสามารถเผาไหม้ได้ และควันไนโตรเจนที่เป็นพิษจะถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมเกษตรกรสามารถเข้าถึงระดับปุ๋ยที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของพืชได้ด้วยการตรวจจับระดับไนโตรเจนที่แม่นยำ

ผู้ร่วมเขียน Li Yang ศาสตราจารย์ใน School of Artificial Intelligence แห่งมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Hebei ของจีนกล่าวว่า“การเจริญเติบโตของพืชยังได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ ซึ่งมีอิทธิพลต่อกระบวนการทางกายภาพ เคมี และจุลชีววิทยาในดินการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องช่วยให้เกษตรกรสามารถพัฒนากลยุทธ์และการแทรกแซงเมื่ออุณหภูมิสูงเกินไปหรือเย็นเกินไปสำหรับพืชผลของพวกเขา”

ตามข้อมูลของ Cheng กลไกการตรวจจับที่สามารถรับก๊าซไนโตรเจนและอุณหภูมิที่เป็นอิสระจากกันนั้นไม่ค่อยมีการรายงานทั้งก๊าซและอุณหภูมิอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการอ่านค่าความต้านทานของเซ็นเซอร์ ทำให้ยากต่อการแยกแยะระหว่างกัน

ทีมงานของ Cheng ได้สร้างเซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่สามารถตรวจจับการสูญเสียไนโตรเจนโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของดินเซ็นเซอร์นี้ทำจากโฟมกราฟีนที่กระตุ้นด้วยวานาเดียมออกไซด์เจือด้วยเลเซอร์ และพบว่าสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะที่ต้องเติมในกราฟีนช่วยเพิ่มการดูดซับก๊าซและความไวในการตรวจจับ

เนื่องจากเมมเบรนแบบอ่อนช่วยปกป้องเซ็นเซอร์และป้องกันการซึมผ่านของก๊าซไนโตรเจน เซ็นเซอร์จึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียงอย่างเดียวนอกจากนี้ยังสามารถใช้เซ็นเซอร์ได้โดยไม่ต้องห่อหุ้มและใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่าอีกด้วย

ช่วยให้สามารถตรวจวัดก๊าซไนโตรเจนได้อย่างแม่นยำ โดยไม่รวมถึงผลกระทบของความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิดินอุณหภูมิและก๊าซไนโตรเจนสามารถแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิงและปราศจากการรบกวนโดยใช้เซ็นเซอร์แบบปิดและไม่มีการห่อหุ้ม

นักวิจัยกล่าวว่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบแยกส่วนและการปล่อยก๊าซไนโตรเจนสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างและใช้งานอุปกรณ์หลายรูปแบบพร้อมกลไกการตรวจจับแบบแยกส่วนเพื่อการเกษตรที่แม่นยำในทุกสภาพอากาศ

Cheng กล่าวว่า "ความสามารถในการตรวจจับความเข้มข้นของไนโตรเจนออกไซด์ต่ำเป็นพิเศษและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยได้พร้อมๆ กัน จะปูทางไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบหลายรูปแบบในอนาคต พร้อมกลไกการตรวจจับแบบแยกส่วนเพื่อการเกษตรที่แม่นยำ การตรวจติดตามสุขภาพ และการใช้งานอื่นๆ"

งานวิจัยของเฉิงได้รับทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ เพนน์สเตต และมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติจีน