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 el rendimiento agrícola y reducir los riesgos ambientales, es esencial el monitoreo continuo y en tiempo real de las propiedades del suelo, como la temperatura del suelo y la emisión de fertilizantes.Es necesario un sensor multiparamétrico para que la agricultura inteligente o de precisión rastree las emisiones de gases NOX y la temperatura del suelo para una mejor fertilización.

James L. Henderson, Jr. Memorial, profesor asociado de ingeniería, ciencias y mecánica en Penn State Huanyu “Larry” Cheng dirigió 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 un monitoreo continuo y en tiempo real de las condiciones del suelo, específicamente la utilización del nitrógeno y la temperatura del suelo.Esto es esencial para evaluar la salud de los cultivos, reducir la contaminación ambiental y promover una agricultura sostenible y de precisión”.

El estudio tiene como objetivo emplear la cantidad adecuada para obtener el mejor rendimiento del cultivo.La producción del cultivo puede ser menor de lo que podría ser si se utiliza más nitrógeno.Cuando se aplica fertilizante en exceso, se desperdicia, las plantas pueden quemarse y se liberan vapores de nitrógeno tóxicos al medio ambiente.Los agricultores pueden alcanzar los niveles ideales de fertilizante para el crecimiento de las plantas con la ayuda de una detección precisa del nivel 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, que 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 frías para sus cultivos”.

Según Cheng, rara vez se informa sobre mecanismos de detección que puedan obtener mediciones de temperatura y gas nitrógeno independientes entre sí.Tanto los gases como la temperatura pueden provocar variaciones en la lectura de resistencia del sensor, dificultando la distinción entre ellos.

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 los complejos metálicos dopantes en el grafeno mejoran la adsorción de gas y la sensibilidad de detección.

Debido a que una membrana suave protege el sensor y evita la permeación del gas nitrógeno, el sensor únicamente reacciona a los cambios de temperatura.El sensor también se puede utilizar sin encapsulación y a una temperatura más alta.

Esto permite una medición precisa del gas nitrógeno excluyendo los efectos de la humedad relativa y la temperatura del suelo.La temperatura y el gas nitrógeno se pueden desacoplar completamente y sin interferencias mediante sensores cerrados y no encapsulados.

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

Cheng dijo: "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 agricultura de precisión, 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.