เซ็นเซอร์ดินใหม่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใส่ปุ๋ยพืชได้

ปุ๋ยที่มีไนโตรเจนถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มผลผลิตอาหาร แต่การปล่อยมลพิษอาจก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากร เพิ่มผลผลิตทางการเกษตร และลดความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อม การตรวจสอบคุณสมบัติของดินอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ เช่น อุณหภูมิดินและการปล่อยปุ๋ย ถือเป็นสิ่งจำเป็น การเกษตรอัจฉริยะหรือเกษตรแม่นยำจำเป็นต้องมีเซ็นเซอร์แบบหลายพารามิเตอร์ เพื่อติดตามการปล่อยก๊าซ NOX และอุณหภูมิดิน เพื่อให้ปุ๋ยมีประสิทธิภาพสูงสุด

James L. Henderson, Jr. Memorial รองศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์การวิศวกรรมและกลศาสตร์ที่ Penn State Huanyu “Larry” Cheng เป็นผู้นำในการพัฒนาเซ็นเซอร์หลายพารามิเตอร์ที่สามารถแยกสัญญาณอุณหภูมิและไนโตรเจนได้สำเร็จ เพื่อให้สามารถวัดแต่ละสัญญาณได้อย่างแม่นยำ

เฉิงกล่าวว่าเพื่อให้การใส่ปุ๋ยมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบสภาพดินอย่างต่อเนื่องและแบบเรียลไทม์ โดยเฉพาะการใช้ประโยชน์ไนโตรเจนและอุณหภูมิของดิน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการประเมินสุขภาพพืชผล ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมการเกษตรแบบแม่นยำและยั่งยืน

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ประโยชน์จากปริมาณที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลผลิตสูงสุด ผลผลิตของพืชอาจต่ำกว่าที่ควรจะเป็นหากใช้ไนโตรเจนมากขึ้น เมื่อใช้ปุ๋ยมากเกินไป ปุ๋ยจะสูญเปล่า พืชอาจไหม้ และปล่อยควันไนโตรเจนที่เป็นพิษออกสู่สิ่งแวดล้อม เกษตรกรสามารถได้ปุ๋ยในปริมาณที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของพืชด้วยการตรวจจับระดับไนโตรเจนที่แม่นยำ

ผู้เขียนร่วม หลี่ หยาง ศาสตราจารย์จากคณะปัญญาประดิษฐ์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเหอเป่ยของจีน กล่าวว่าการเจริญเติบโตของพืชยังได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการทางกายภาพ เคมี และจุลชีววิทยาในดิน การตรวจสอบอย่างต่อเนื่องช่วยให้เกษตรกรสามารถพัฒนากลยุทธ์และมาตรการต่างๆ เมื่ออุณหภูมิร้อนหรือเย็นเกินไปสำหรับพืชผลของพวกเขา

เฉิงกล่าวว่ากลไกการตรวจจับที่สามารถวัดค่าก๊าซไนโตรเจนและอุณหภูมิแยกจากกันนั้นแทบจะไม่มีการรายงาน ทั้งก๊าซและอุณหภูมิอาจทำให้ค่าความต้านทานของเซ็นเซอร์เปลี่ยนแปลงไป ทำให้ยากต่อการแยกแยะความแตกต่างระหว่างทั้งสอง

ทีมของเฉิงได้สร้างเซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่สามารถตรวจจับการสูญเสียไนโตรเจนได้โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิของดิน เซ็นเซอร์นี้ทำจากโฟมกราฟีนที่กระตุ้นด้วยเลเซอร์และเจือวาเนเดียมออกไซด์ และพบว่าสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะเจือปนในกราฟีนช่วยเพิ่มการดูดซับก๊าซและความไวในการตรวจจับ

เนื่องจากเมมเบรนแบบอ่อนช่วยปกป้องเซ็นเซอร์และป้องกันการซึมผ่านของก๊าซไนโตรเจน เซ็นเซอร์จึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องหุ้มห่อหุ้มและที่อุณหภูมิสูงกว่า

วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดก๊าซไนโตรเจนได้อย่างแม่นยำโดยตัดผลกระทบจากความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิดินออกไป สามารถแยกอุณหภูมิและก๊าซไนโตรเจนออกจากกันได้อย่างสมบูรณ์และปราศจากการรบกวนโดยใช้เซ็นเซอร์แบบปิดและแบบไม่มีปลอกหุ้ม

นักวิจัยกล่าวว่าการแยกการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการปล่อยก๊าซไนโตรเจนสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างและใช้งานอุปกรณ์หลายโหมดที่มีกลไกการตรวจจับแบบแยกส่วนสำหรับเกษตรกรรมแม่นยำในทุกสภาพอากาศ

เฉิงกล่าวว่า “ความสามารถในการตรวจจับความเข้มข้นของไนโตรเจนออกไซด์ที่ต่ำเป็นพิเศษและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยในเวลาเดียวกันจะช่วยนำทางไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายโหมดในอนาคตที่มีกลไกการตรวจจับแบบแยกส่วนสำหรับเกษตรแม่นยำ การติดตามสุขภาพ และการใช้งานอื่นๆ”

การวิจัยของเฉิงได้รับทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ มหาวิทยาลัยเพนน์สเตต และมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน