قام مهندسو جامعة ويسكونسن ماديسون بتطوير أجهزة استشعار للتربة منخفضة التكلفة

شوهاو كاي، طالبة دكتوراه في علوم التربة، تضع قضيب استشعار مع ملصق استشعار متعدد الوظائف يسمح بإجراء قياسات على أعماق مختلفة في التربة في محطة هانكوك للأبحاث الزراعية بجامعة ويسكونسن ماديسون.
ماديسون - طوّر مهندسو جامعة ويسكونسن-ماديسون مستشعرات منخفضة التكلفة تُتيح رصدًا مستمرًا وآنيًا للنترات في أنواع التربة الشائعة في ويسكونسن. تُساعد هذه المستشعرات الكهروكيميائية المطبوعة المزارعين على اتخاذ قرارات أكثر وعيًا بشأن إدارة المغذيات وتحقيق فوائد اقتصادية.
قال جوزيف أندروز، الأستاذ المساعد بجامعة هارفارد: "تتيح أجهزة الاستشعار التي نقدمها للمزارعين فهمًا أفضل للحالة الغذائية لتربتهم وكمية النترات المتاحة لنباتاتهم، مما يساعدهم على تحديد كمية السماد التي يحتاجونها بدقة أكبر". وأجرت كلية الهندسة الميكانيكية بجامعة ويسكونسن-ماديسون هذه الدراسة. وأضاف: "إذا تمكنوا من تقليل كمية الأسمدة التي يشترونها، فقد يكون توفير التكاليف كبيرًا للمزارع الكبيرة".
النترات عنصر غذائي أساسي لنمو المحاصيل، إلا أن فائضها قد يتسرب من التربة ويتسرب إلى المياه الجوفية. هذا النوع من التلوث ضارٌّ بمن يشربون مياه الآبار الملوثة، كما أنه ضارٌّ بالبيئة. يمكن استخدام المستشعر الجديد الذي ابتكره الباحثون كأداة بحثية زراعية لرصد تسرب النترات والمساعدة في تطوير أفضل الممارسات للحد من آثاره الضارة.
الطرق الحالية لرصد نترات التربة تتطلب جهدًا كبيرًا، وهي مكلفة، ولا توفر بيانات آنية. لهذا السبب، شرع خبير الإلكترونيات المطبوعة، أندروز، وفريقه في ابتكار حل أفضل وأقل تكلفة.
في هذا المشروع، استخدم الباحثون عملية طباعة نفث الحبر لإنشاء مستشعر جهدي، وهو نوع من المستشعرات الكهروكيميائية ذات الأغشية الرقيقة. تُستخدم المستشعرات الجهدية عادةً لقياس النترات بدقة في المحاليل السائلة. ومع ذلك، لا تُعد هذه المستشعرات مناسبة للاستخدام في بيئات التربة، لأن جزيئات التربة الكبيرة قد تخدشها وتمنع دقة القياسات.
وقال أندروز: "كان التحدي الرئيسي الذي كنا نحاول حله هو إيجاد طريقة لجعل هذه المستشعرات الكهروكيميائية تعمل بشكل صحيح في ظروف التربة القاسية والكشف بدقة عن أيونات النترات".
تمثل حل الفريق في وضع طبقة من فلوريد البولي فينيلدين على المستشعر. ووفقًا لأندروز، تتميز هذه المادة بخاصيتين رئيسيتين. أولًا، تتميز بمسامات دقيقة جدًا، يبلغ حجمها حوالي 400 نانومتر، تسمح بمرور أيونات النترات مع حجب جزيئات التربة. ثانيًا، إنها محبة للماء، أي أنها تجذب الماء وتمتصه كالإسفنجة.
لذا، فإن أي ماء غني بالنترات سيتسرب إلى مستشعراتنا بشكل تفضيلي، وهو أمر بالغ الأهمية لأن التربة تشبه الإسفنج، وستخسر معركة دخول الرطوبة إلى المستشعر إذا لم تتمكن من الحصول على نفس مستوى امتصاص الماء. قال أندروز: "تتيح لنا خصائص طبقة فلوريد البولي فينيلدين هذه استخراج الماء الغني بالنترات، وتوصيله إلى سطح المستشعر، والكشف عن النترات بدقة".
وقام الباحثون بتفصيل تقدمهم في ورقة بحثية نُشرت في مارس 2024 في مجلة Advanced Materials Technology.
قام الفريق باختبار جهاز الاستشعار الخاص بهم على نوعين مختلفين من التربة المرتبطة بولاية ويسكونسن - التربة الرملية، الشائعة في الأجزاء الشمالية الوسطى من الولاية، والتربة الطينية، الشائعة في جنوب غرب ويسكونسن - ووجدوا أن أجهزة الاستشعار أنتجت نتائج دقيقة.
يُدمج الباحثون الآن مستشعر النترات الخاص بهم في نظام استشعار متعدد الوظائف يُطلقون عليه اسم "ملصق الاستشعار"، حيث تُثبّت ثلاثة أنواع مختلفة من المستشعرات على سطح بلاستيكي مرن باستخدام دعامة لاصقة. تحتوي الملصقات أيضًا على مستشعرات للرطوبة ودرجة الحرارة.
سيُثبّت الباحثون عدة ملصقات حسية على عمود، ويضعونها على ارتفاعات مختلفة، ثم يدفنونها في التربة. سمح لهم هذا النظام بأخذ قياسات على أعماق مختلفة من التربة.
وقال أندروز: "من خلال قياس النترات والرطوبة ودرجة الحرارة على أعماق مختلفة، يمكننا الآن تحديد كمية عملية استخلاص النترات وفهم كيفية تحرك النترات عبر التربة، وهو ما لم يكن ممكناً من قبل".
وفي صيف عام 2024، يخطط الباحثون لوضع 30 قضيب استشعار في التربة في محطة هانكوك للأبحاث الزراعية ومحطة أرلينجتون للأبحاث الزراعية في جامعة ويسكونسن ماديسون لمزيد من اختبار المستشعر.