מהנדסים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון פיתחו חיישני קרקע בעלות נמוכה

שואוהאו קאי, דוקטורנט למדעי הקרקע, ממקם מוט חיישן עם מדבקת חיישן רב-תכליתית המאפשרת מדידות בעומקים שונים לתוך האדמה בתחנת המחקר החקלאית הנקוק של אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון.
מדיסון - מהנדסים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון פיתחו חיישנים בעלות נמוכה שיכולים לספק ניטור רציף בזמן אמת של ניטרט בסוגי קרקע נפוצים בוויסקונסין. חיישנים אלקטרוכימיים מודפסים אלה יכולים לסייע לחקלאים לקבל החלטות מושכלות יותר בנוגע לניהול חומרי הזנה ולהגשים יתרונות כלכליים.
"החיישנים שלנו יכולים לתת לחקלאים הבנה טובה יותר של המצב התזונתי של האדמה שלהם וכמות הניטרט הזמינה לצמחים שלהם, ולעזור להם להחליט בצורה מדויקת יותר כמה דשן הם באמת צריכים", אמר ג'וזף אנדרוז, פרופסור עוזר באוניברסיטת הרווארד. המחקר נערך בראשות בית הספר להנדסת מכונות באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון. "אם הם יוכלו להפחית את כמות הדשן שהם קונים, החיסכון בעלויות יכול להיות משמעותי עבור חוות גדולות יותר."
ניטרטים הם רכיב תזונתי חיוני לגידול יבולים, אך עודפי ניטרטים עלולים לדלוף מהאדמה ולחדור למי התהום. סוג זה של זיהום מזיק לאנשים השותים מי בארות מזוהמים ומזיק לסביבה. החיישן החדש של החוקרים יכול לשמש גם ככלי מחקר חקלאי לניטור שטיפת ניטרט ולסייע בפיתוח שיטות עבודה מומלצות להפחתת השפעותיה המזיקות.
השיטות הנוכחיות לניטור ניטרט בקרקע הן עתירות עבודה, יקרות ואינן מספקות נתונים בזמן אמת. זו הסיבה שמומחה האלקטרוניקה המודפסת אנדרוז וצוותו יצאו ליצור פתרון טוב יותר וזול יותר.
בפרויקט זה, החוקרים השתמשו בתהליך הדפסת הזרקת דיו כדי ליצור חיישן פוטנציומטרי, סוג של חיישן אלקטרוכימי בעל שכבה דקה. חיישנים פוטנציומטריים משמשים לעתים קרובות למדידה מדויקת של ניטרט בתמיסות נוזליות. עם זאת, חיישנים אלה בדרך כלל אינם מתאימים לשימוש בסביבות קרקע מכיוון שחלקיקי קרקע גדולים עלולים לשרוט את החיישנים ולמנוע מדידות מדויקות.
"האתגר העיקרי שניסינו לפתור היה למצוא דרך לגרום לחיישנים האלקטרוכימיים הללו לעבוד כראוי בתנאי קרקע קשים ולזהות במדויק יוני ניטרט", אמר אנדרוז.
הפתרון של הצוות היה להניח שכבה של פוליווינילידן פלואוריד על החיישן. לדברי אנדרוז, לחומר זה שני מאפיינים עיקריים. ראשית, יש לו נקבוביות זעירות מאוד, בגודל של כ-400 ננומטר, המאפשרות ליוני ניטרט לעבור דרכם תוך חסימת חלקיקי אדמה. שנית, הוא הידרופילי, כלומר, הוא מושך מים וסופג אותם כמו ספוג.
"לכן, כל מים עשירים בחנקת יחלחלו באופן עדיף לחיישנים שלנו, וזה באמת חשוב מכיוון שקרקע היא כמו ספוג, ואתם הולכים להפסיד בקרב מבחינת כניסת לחות לחיישן אם לא תצליחו להשיג את אותה ספיגת מים. פוטנציאל הקרקע", אמר אנדרוז. "תכונות אלו של שכבת הפוליווינילידן פלואוריד מאפשרות לנו לחלץ מים עשירים בחנקת, להעביר אותם לפני השטח של החיישן ולזהות במדויק חנקת."
החוקרים פירטו את התקדמותם במאמר שפורסם במרץ 2024 בכתב העת Advanced Materials Technology.
הצוות בדק את החיישן שלהם על שני סוגי קרקע שונים הקשורים לוויסקונסין - קרקעות חוליות, הנפוצות בחלקים הצפון-מרכזיים של המדינה, וקרקעות חרס בוציות, הנפוצות בדרום מערב ויסקונסין - וגילה שהחיישנים הניבו תוצאות מדויקות.
החוקרים משלבים כעת את חיישן הניטרט שלהם במערכת חיישנים רב-תכליתית שהם מכנים "מדבקת חיישן", שבה שלושה סוגים שונים של חיישנים מורכבים על משטח פלסטיק גמיש באמצעות גב דביק. המדבקות מכילות גם חיישני לחות וטמפרטורה.
החוקרים יצמידו מספר מדבקות חושיות לעמוד, ימקמו אותן בגבהים שונים ולאחר מכן יקברו את העמוד באדמה. הגדרה זו אפשרה להם לבצע מדידות בעומקי אדמה שונים.
"על ידי מדידת ניטרט, לחות וטמפרטורה בעומקים שונים, אנו יכולים כעת לכמת את תהליך שטיפת הניטרט ולהבין כיצד ניטרט נע דרך האדמה, דבר שלא היה אפשרי בעבר", אמר אנדרוז.
בקיץ 2024, החוקרים מתכננים להציב 30 מוטות חיישן באדמה בתחנת המחקר החקלאי הנקוק ובתחנת המחקר החקלאי ארלינגטון באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון כדי להמשיך ולבחון את החיישן.