قام مهندسو جامعة ويسكونسن-ماديسون بتطوير أجهزة استشعار للتربة منخفضة التكلفة.

يقوم شوهاو كاي، وهو طالب دكتوراه في علوم التربة، بوضع قضيب استشعار مزود بملصق استشعار متعدد الوظائف يسمح بإجراء قياسات على أعماق مختلفة في التربة في محطة هانكوك للأبحاث الزراعية التابعة لجامعة ويسكونسن-ماديسون.
ماديسون - طوّر مهندسون من جامعة ويسكونسن-ماديسون أجهزة استشعار منخفضة التكلفة تُتيح مراقبة مستمرة وفورية لمستويات النترات في أنواع التربة الشائعة في ويسكونسن. تُساعد هذه المستشعرات الكهروكيميائية المطبوعة المزارعين على اتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن إدارة المغذيات وتحقيق فوائد اقتصادية.
قال جوزيف أندروز، الأستاذ المساعد بجامعة هارفارد: "تتيح أجهزة الاستشعار الخاصة بنا للمزارعين فهمًا أفضل للحالة الغذائية لتربتهم وكمية النترات المتاحة لنباتاتهم، مما يساعدهم على تحديد كمية السماد التي يحتاجونها بدقة أكبر". وقد قادت الدراسة كلية الهندسة الميكانيكية بجامعة ويسكونسن-ماديسون. وأضاف: "إذا تمكنوا من تقليل كمية الأسمدة التي يشترونها، فقد تكون وفورات التكاليف كبيرة بالنسبة للمزارع الكبيرة".
تُعدّ النترات عنصرًا غذائيًا أساسيًا لنمو المحاصيل، إلا أن زيادتها قد تتسرب من التربة إلى المياه الجوفية. ويُشكّل هذا النوع من التلوث خطرًا على صحة الإنسان الذي يشرب مياه الآبار الملوثة، فضلًا عن أضراره البيئية. ويمكن استخدام المستشعر الجديد الذي طوّره الباحثون كأداة بحثية زراعية لرصد تسرب النترات، والمساهمة في تطوير أفضل الممارسات للحدّ من آثاره الضارة.
تتسم الطرق الحالية لرصد نترات التربة بأنها كثيفة العمالة ومكلفة ولا توفر بيانات فورية. لهذا السبب، شرع خبير الإلكترونيات المطبوعة أندروز وفريقه في ابتكار حل أفضل وأقل تكلفة.
في هذا المشروع، استخدم الباحثون تقنية الطباعة النفاثة للحبر لإنتاج مستشعر قياس الجهد، وهو نوع من المستشعرات الكهروكيميائية ذات الأغشية الرقيقة. تُستخدم مستشعرات قياس الجهد عادةً لقياس النترات بدقة في المحاليل السائلة. مع ذلك، لا تُعدّ هذه المستشعرات مناسبة عمومًا للاستخدام في البيئات الترابية، لأن جزيئات التربة الكبيرة قد تخدشها وتمنع القياسات الدقيقة.
وقال أندروز: "كان التحدي الرئيسي الذي كنا نحاول حله هو إيجاد طريقة لجعل هذه المستشعرات الكهروكيميائية تعمل بشكل صحيح في ظروف التربة القاسية وتكشف بدقة عن أيونات النترات".
كان حل الفريق هو وضع طبقة من فلوريد البولي فينيليدين على المستشعر. ووفقًا لأندروز، تتميز هذه المادة بخاصيتين رئيسيتين. أولًا، تحتوي على مسامات دقيقة جدًا، يبلغ حجمها حوالي 400 نانومتر، مما يسمح لأيونات النترات بالمرور مع منع جزيئات التربة. ثانيًا، هي محبة للماء، أي أنها تجذب الماء وتمتصه كالإسفنج.
"لذا، فإن أي ماء غني بالنترات سيتسرب بشكل تفضيلي إلى أجهزة الاستشعار لدينا، وهذا أمر بالغ الأهمية لأن التربة تشبه الإسفنج، وستخسر المعركة فيما يتعلق بوصول الرطوبة إلى جهاز الاستشعار إذا لم تتمكن من الحصول على نفس معدل امتصاص الماء. هذا ما يُعرف بإمكانات التربة"، كما قال أندروز. "تتيح لنا هذه الخصائص لطبقة فلوريد البولي فينيليدين استخلاص الماء الغني بالنترات، وتوصيله إلى سطح جهاز الاستشعار، والكشف عن النترات بدقة."
وقد فصّل الباحثون تقدمهم في ورقة بحثية نُشرت في مارس 2024 في مجلة تكنولوجيا المواد المتقدمة.
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.
يعمل الباحثون حاليًا على دمج مستشعر النترات الخاص بهم في نظام استشعار متعدد الوظائف يُطلقون عليه اسم "ملصق الاستشعار"، حيث يتم تثبيت ثلاثة أنواع مختلفة من المستشعرات على سطح بلاستيكي مرن باستخدام لاصق خلفي. كما تحتوي الملصقات على مستشعرات للرطوبة ودرجة الحرارة.
سيقوم الباحثون بتثبيت عدة ملصقات حسية على عمود، ووضعها على ارتفاعات مختلفة، ثم دفن العمود في التربة. وقد سمح لهم هذا الترتيب بأخذ القياسات على أعماق مختلفة من التربة.
وقال أندروز: "من خلال قياس النترات والرطوبة ودرجة الحرارة على أعماق مختلفة، يمكننا الآن تحديد كمية عملية ترشيح النترات وفهم كيفية تحرك النترات عبر التربة، وهو أمر لم يكن ممكناً من قبل".
يخطط الباحثون في صيف عام 2024 لوضع 30 قضيب استشعار في التربة في محطة هانكوك للأبحاث الزراعية ومحطة أرلينغتون للأبحاث الزراعية في جامعة ويسكونسن-ماديسون لإجراء المزيد من الاختبارات على جهاز الاستشعار.