ՄԵԴԻՍՈՆ Վիսկոնսին-Մեդիսոնի համալսարանի ինժեներները մշակել են ցածրարժեք հողի սենսորներ

Հողագիտության դոկտորանտ Շուոհաո Կայը Վիսկոնսինի համալսարանի Մեդիսոն Հանքոքի գյուղատնտեսական հետազոտական կայանում տեղադրում է բազմաֆունկցիոնալ սենսորային պիտակով սենսորային ձող, որը թույլ է տալիս չափումներ կատարել հողի տարբեր խորություններում։
ՄԵԴԻՍՈՆ — Վիսկոնսին-Մեդիսոնի համալսարանի ինժեներները մշակել են ցածրարժեք սենսորներ, որոնք կարող են ապահովել նիտրատի անընդհատ, իրական ժամանակում մոնիթորինգ Վիսկոնսինի տարածված հողատեսակներում: Այս տպագիր էլեկտրաքիմիական սենսորները կարող են օգնել գյուղացիներին ավելի տեղեկացված որոշումներ կայացնել սննդանյութերի կառավարման վերաբերյալ և ստանալ տնտեսական օգուտներ:
«Մեր սենսորները կարող են ֆերմերներին ավելի լավ պատկերացում տալ իրենց հողի սննդային վիճակի և իրենց բույսերի համար հասանելի նիտրատի քանակի մասին՝ օգնելով նրանց ավելի ճշգրիտ որոշել, թե իրականում որքան պարարտանյութ է անհրաժեշտ», - ասաց Հարվարդի համալսարանի դոցենտ Ջոզեֆ Էնդրյուսը: Ուսումնասիրությունը ղեկավարել է Վիսկոնսին-Մեդիսոն համալսարանի մեխանիկական ճարտարագիտության դպրոցը: «Եթե նրանք կարողանան կրճատել գնվող պարարտանյութի քանակը, ծախսերի խնայողությունը կարող է զգալի լինել ավելի մեծ ֆերմերային տնտեսությունների համար»:
Նիտրատները մշակաբույսերի աճի համար անհրաժեշտ սննդանյութ են, սակայն նիտրատների ավելցուկը կարող է արտահոսել հողից և ներթափանցել ստորգետնյա ջրեր: Այս տեսակի աղտոտումը վնասակար է այն մարդկանց համար, ովքեր խմում են աղտոտված ջրհորի ջուր և վնասակար է շրջակա միջավայրի համար: Հետազոտողների նոր սենսորը կարող է նաև օգտագործվել որպես գյուղատնտեսական հետազոտությունների գործիք՝ նիտրատների արտահոսքը վերահսկելու և դրա վնասակար հետևանքները մեղմելու լավագույն փորձը մշակելու համար:
Հողի նիտրատների մոնիթորինգի ներկայիս մեթոդները աշխատատար են, թանկ և չեն ապահովում իրական ժամանակի տվյալներ: Ահա թե ինչու տպագիր էլեկտրոնիկայի փորձագետ Էնդրյուսը և նրա թիմը որոշեցին ստեղծել ավելի լավ, ավելի էժան լուծում:
Այս նախագծում հետազոտողները օգտագործել են թանաքային տպագրության գործընթաց՝ պոտենցիոմետրիկ սենսոր ստեղծելու համար, որը բարակ թաղանթային էլեկտրաքիմիական սենսորի տեսակ է: Պոտենցիոմետրիկ սենսորները հաճախ օգտագործվում են հեղուկ լուծույթներում նիտրատի ճշգրիտ չափման համար: Այնուամենայնիվ, այս սենսորները, որպես կանոն, հարմար չեն հողային միջավայրերում օգտագործելու համար, քանի որ հողի խոշոր մասնիկները կարող են քերծել սենսորները և խանգարել ճշգրիտ չափումներին:
«Մեր հիմնական խնդիրը լուծելն այն էր, որ գտնեինք մի եղանակ, որով այս էլեկտրաքիմիական սենսորները պատշաճ կերպով կաշխատեին կոշտ հողի պայմաններում և ճշգրիտ կհայտնաբերեին նիտրատ իոնները», - ասաց Էնդրյուսը։
Թիմի լուծումը սենսորի վրա պոլիվինիլիդեն ֆտորիդի շերտ դնելն էր: Էնդրյուսի խոսքով՝ այս նյութն ունի երկու հիմնական բնութագիր: Նախ, այն ունի շատ փոքր ծակոտիներ՝ մոտ 400 նանոմետր չափի, որոնք թույլ են տալիս նիտրատ իոններին անցնել՝ միաժամանակ խոչընդոտելով հողի մասնիկները: Երկրորդ, այն հիդրոֆիլ է, այսինքն՝ այն ձգում է ջուրը և կլանում այն սպունգի պես:
«Այսպիսով, նիտրատով հարուստ ցանկացած ջուր նախընտրելիորեն կներթափանցի մեր սենսորների մեջ, ինչը շատ կարևոր է, քանի որ հողը նույնպես սպունգի նման է, և դուք կպարտվեք սենսոր մտնելու խոնավության առումով պայքարում, եթե չկարողանաք ստանալ նույն ջրի կլանումը։ Հողի ներուժը», - ասաց Էնդրյուսը։ «Պոլիվինիլիդեն ֆտորիդի շերտի այս հատկությունները թույլ են տալիս մեզ արդյունահանել նիտրատով հարուստ ջուր, հասցնել այն սենսորի մակերեսին և ճշգրիտ հայտնաբերել նիտրատը»։
Հետազոտողները մանրամասն նկարագրել են իրենց առաջընթացը 2024 թվականի մարտին «Advanced Materials Technology» ամսագրում հրապարակված հոդվածում։
Խումբը փորձարկել է իրենց սենսորը Վիսկոնսինին առնչվող երկու տարբեր հողատեսակների վրա՝ ավազոտ հողեր, որոնք տարածված են նահանգի հյուսիս-կենտրոնական մասերում, և տիղմոտ կավահողեր, որոնք տարածված են Վիսկոնսինի հարավ-արևմուտքում, և պարզել է, որ սենսորները ճշգրիտ արդյունքներ են տալիս։
Հետազոտողները այժմ իրենց նիտրատի սենսորը ինտեգրում են բազմաֆունկցիոնալ սենսորային համակարգի մեջ, որը նրանք անվանում են «սենսորային պիտակ», որի մեջ երեք տարբեր տեսակի սենսորներ ամրացված են ճկուն պլաստիկ մակերեսի վրա՝ օգտագործելով կպչուն հիմք: Պիտակները պարունակում են նաև խոնավության և ջերմաստիճանի սենսորներ:
Հետազոտողները մի քանի զգայական պիտակներ կկպցնեն սյանը, կտեղադրեն դրանք տարբեր բարձրությունների վրա, ապա կթաղեն սյունը հողի մեջ: Այս կարգավորումը թույլ կտա նրանց չափումներ կատարել հողի տարբեր խորություններում:
«Տարբեր խորություններում նիտրատի, խոնավության և ջերմաստիճանի չափման միջոցով մենք այժմ կարող ենք քանակապես որոշել նիտրատի արտահոսքի գործընթացը և հասկանալ, թե ինչպես է նիտրատը շարժվում հողի միջով, ինչը նախկինում հնարավոր չէր», - ասաց Էնդրյուսը։
2024 թվականի ամռանը հետազոտողները պլանավորում են 30 սենսորային ձողեր տեղադրել հողի մեջ Հանքոքի գյուղատնտեսական հետազոտական կայանում և Վիսկոնսին-Մեդիսոնի համալսարանի Արլինգտոնի գյուղատնտեսական հետազոտական կայանում՝ սենսորը հետագա փորձարկելու համար։