MADISON – Ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado sensores de suelo de bajo costo.

Shuohao Cai, estudiante de doctorado en ciencias del suelo, coloca una varilla sensora con una pegatina sensora multifuncional que permite realizar mediciones a diferentes profundidades en el suelo en la Estación de Investigación Agrícola Hancock de la Universidad de Wisconsin-Madison.
MADISON — Ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado sensores de bajo costo que permiten el monitoreo continuo y en tiempo real de nitratos en los tipos de suelo más comunes de Wisconsin. Estos sensores electroquímicos impresos pueden ayudar a los agricultores a tomar decisiones más informadas sobre el manejo de nutrientes y obtener beneficios económicos.
“Nuestros sensores permiten a los agricultores comprender mejor el estado nutricional de su suelo y la cantidad de nitrato disponible para sus plantas, lo que les ayuda a determinar con mayor precisión la cantidad de fertilizante que realmente necesitan”, afirmó Joseph Andrews, profesor adjunto de la Universidad de Harvard. El estudio fue dirigido por la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Wisconsin-Madison. “Si logran reducir la cantidad de fertilizante que compran, el ahorro podría ser significativo para las explotaciones agrícolas de mayor tamaño”.
Los nitratos son nutrientes esenciales para el crecimiento de los cultivos, pero su exceso puede filtrarse del suelo y llegar a las aguas subterráneas. Este tipo de contaminación es perjudicial para quienes beben agua de pozo contaminada y para el medio ambiente. El nuevo sensor desarrollado por los investigadores también podría utilizarse como herramienta de investigación agrícola para monitorear la lixiviación de nitratos y contribuir al desarrollo de mejores prácticas para mitigar sus efectos nocivos.
Los métodos actuales para monitorear el nitrato en el suelo son laboriosos, costosos y no proporcionan datos en tiempo real. Por eso, Andrews, experto en electrónica impresa, y su equipo se propusieron crear una solución mejor y más económica.
En este proyecto, los investigadores utilizaron un proceso de impresión por inyección de tinta para crear un sensor potenciométrico, un tipo de sensor electroquímico de película delgada. Los sensores potenciométricos se utilizan a menudo para medir con precisión el nitrato en soluciones líquidas. Sin embargo, estos sensores generalmente no son adecuados para su uso en entornos terrestres, ya que las partículas grandes de tierra pueden rayarlos e impedir mediciones precisas.
“El principal reto que intentábamos resolver era encontrar la manera de que estos sensores electroquímicos funcionaran correctamente en condiciones de suelo adversas y detectaran con precisión los iones de nitrato”, dijo Andrews.
La solución del equipo consistió en colocar una capa de fluoruro de polivinilideno sobre el sensor. Según Andrews, este material posee dos características clave. En primer lugar, tiene poros muy pequeños, de aproximadamente 400 nanómetros, que permiten el paso de iones nitrato a la vez que bloquean las partículas de tierra. En segundo lugar, es hidrófilo, es decir, atrae el agua y la absorbe como una esponja.
“Por lo tanto, cualquier agua rica en nitratos se filtrará preferentemente en nuestros sensores, lo cual es realmente importante porque el suelo también es como una esponja y se pierde la batalla en cuanto a la entrada de humedad al sensor si no se logra la misma capacidad de absorción de agua. Potencial del suelo”, dijo Andrews. “Estas propiedades de la capa de fluoruro de polivinilideno nos permiten extraer el agua rica en nitratos, llevarla a la superficie del sensor y detectar nitratos con precisión”.
Los investigadores detallaron sus avances en un artículo publicado en marzo de 2024 en la revista Advanced Materials Technology.
El equipo probó su sensor en dos tipos de suelo diferentes asociados con Wisconsin: suelos arenosos, comunes en las partes centro-norte del estado, y suelos franco-limosos, comunes en el suroeste de Wisconsin, y descubrió que los sensores producían resultados precisos.
Los investigadores están integrando su sensor de nitrato en un sistema de sensores multifuncional que denominan "etiqueta sensora", en el que se montan tres tipos diferentes de sensores sobre una superficie de plástico flexible mediante un adhesivo. Estas etiquetas también contienen sensores de humedad y temperatura.
Los investigadores colocarán varias pegatinas sensoriales en un poste, las situarán a diferentes alturas y luego enterrarán el poste en la tierra. Este método les permitió tomar mediciones a distintas profundidades del suelo.
“Al medir el nitrato, la humedad y la temperatura a diferentes profundidades, ahora podemos cuantificar el proceso de lixiviación del nitrato y comprender cómo se mueve a través del suelo, algo que antes no era posible”, dijo Andrews.
En el verano de 2024, los investigadores planean colocar 30 varillas sensoras en el suelo de la Estación de Investigación Agrícola de Hancock y la Estación de Investigación Agrícola de Arlington en la Universidad de Wisconsin-Madison para seguir probando el sensor.