Nuevos sensores de suelo podrían mejorar la eficiencia de la fertilización de los cultivos

Los fertilizantes que contienen nitrógeno se utilizan para aumentar la producción de alimentos, pero sus emisiones pueden contaminar el medio ambiente. Para maximizar el uso de los recursos, aumentar la producción agrícola y reducir los riesgos ambientales, es esencial el monitoreo continuo y en tiempo real de las propiedades del suelo, como la temperatura y las emisiones de fertilizantes. Un sensor multiparamétrico es necesario para la agricultura inteligente o de precisión para monitorizar las emisiones de gases NOX y la temperatura del suelo y optimizar la fertilización.

James L. Henderson, Jr., profesor asociado conmemorativo de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica en Penn State Huanyu “Larry” Cheng lideró el desarrollo de un sensor multiparamétrico que separa con éxito las señales de temperatura y nitrógeno para permitir una medición precisa de cada una.

Cheng dijo:Para una fertilización eficiente, es necesario monitorear continuamente y en tiempo real las condiciones del suelo, en particular la utilización del nitrógeno y la temperatura. Esto es esencial para evaluar la salud de los cultivos, reducir la contaminación ambiental y promover la agricultura sostenible y de precisión.

El estudio busca emplear la cantidad adecuada para obtener el mejor rendimiento del cultivo. La producción del cultivo puede ser menor si se utiliza más nitrógeno. Cuando se aplica fertilizante en exceso, este se desperdicia, las plantas pueden quemarse y se liberan gases tóxicos de nitrógeno al medio ambiente. Los agricultores pueden alcanzar los niveles ideales de fertilizante para el crecimiento de las plantas mediante la detección precisa de los niveles de nitrógeno.

El coautor Li Yang, profesor de la Escuela de Inteligencia Artificial de la Universidad Tecnológica de Hebei en China, dijo:El crecimiento de las plantas también se ve afectado por la temperatura, la cual influye en los procesos físicos, químicos y microbiológicos del suelo. El monitoreo continuo permite a los agricultores desarrollar estrategias e intervenciones cuando las temperaturas son demasiado altas o demasiado bajas para sus cultivos.

Según Cheng, rara vez se informa sobre mecanismos de detección que puedan obtener mediciones independientes de nitrógeno y temperatura. Tanto los gases como la temperatura pueden causar variaciones en la lectura de resistencia del sensor, lo que dificulta su distinción.

El equipo de Cheng creó un sensor de alto rendimiento que puede detectar la pérdida de nitrógeno independientemente de la temperatura del suelo. El sensor está hecho de espuma de grafeno inducida por láser dopada con óxido de vanadio, y se ha descubierto que el dopaje de complejos metálicos en el grafeno mejora la adsorción de gases y la sensibilidad de detección.

Gracias a una membrana suave que protege el sensor e impide la permeación del nitrógeno, este reacciona únicamente a los cambios de temperatura. También puede utilizarse sin encapsulado y a temperaturas más altas.

Esto permite una medición precisa del nitrógeno gaseoso, excluyendo los efectos de la humedad relativa y la temperatura del suelo. La temperatura y el nitrógeno gaseoso pueden desacoplarse completamente y sin interferencias mediante sensores cerrados y sin encapsular.

El investigador dijo que la disociación de los cambios de temperatura y las emisiones de gas nitrógeno podría utilizarse para crear e implementar dispositivos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para la agricultura de precisión en todas las condiciones climáticas.

Cheng afirmó: “La capacidad de detectar simultáneamente concentraciones ultrabajas de óxido de nitrógeno y pequeños cambios de temperatura allana el camino para el desarrollo de futuros dispositivos electrónicos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para la agricultura de precisión, el monitoreo de la salud y otras aplicaciones”.

La investigación de Cheng fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, Penn State y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.