Los nuevos sensores de suelo podrían mejorar la eficiencia de la fertilización de los cultivos.

Los fertilizantes nitrogenados se utilizan para aumentar la producción de alimentos, pero sus emisiones pueden contaminar el medio ambiente. Para optimizar el uso de los recursos, incrementar los rendimientos agrícolas y reducir los riesgos ambientales, es fundamental 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, ya que permite controlar las emisiones de NOX y la temperatura del suelo para una fertilización óptima.

Huanyu “Larry” Cheng, profesor asociado en memoria de James L. Henderson, Jr. en Ciencias de la Ingeniería y Mecánica en Penn State, 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 eficaz, es necesario un monitoreo continuo y en tiempo real de las condiciones del suelo, específicamente del uso de 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 busca emplear la cantidad adecuada para obtener el mejor rendimiento de los cultivos. La producción puede ser menor si se utiliza más nitrógeno. El exceso de fertilizante provoca desperdicio, quemaduras en las plantas y la liberación de gases tóxicos de nitrógeno al medio ambiente. Los agricultores pueden alcanzar los niveles óptimos de fertilizante para el crecimiento de las plantas mediante la detección precisa de los niveles de nitrógeno.

El coautor Li Yang, profesor de la Facultad 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 bajas para sus cultivos.”

Según Cheng, rara vez se informan mecanismos de detección que puedan obtener mediciones de nitrógeno gaseoso y temperatura de forma independiente. Tanto los gases como la temperatura pueden provocar variaciones en la lectura de resistencia del sensor, lo que dificulta distinguirlos.

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

Gracias a una membrana flexible que protege el sensor e impide la permeación de nitrógeno, este reacciona únicamente a los cambios de temperatura. Además, puede utilizarse sin encapsulación y a temperaturas más elevadas.

Esto permite medir con precisión el nitrógeno gaseoso, excluyendo los efectos de la humedad relativa y la temperatura del suelo. La temperatura y el nitrógeno gaseoso pueden desacoplarse por completo y sin interferencias mediante sensores encapsulados y no encapsulados.

El investigador afirmó que la disociación entre los cambios de temperatura y las emisiones de gas nitrógeno podría utilizarse para crear e implementar dispositivos multimodales con mecanismos de detección disociados 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 abre el camino al desarrollo de futuros dispositivos electrónicos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para la agricultura de precisión, la monitorización de la salud y otras aplicaciones”.

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