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Nov 08, 2023

Nuevos sensores de suelo podrían mejorar la eficiencia de la fertilización de cultivos

Medir la temperatura y los niveles de nitrógeno en el suelo es importante para

Medir la temperatura y los niveles de nitrógeno en el suelo es importante para los sistemas agrícolas.

Los fertilizantes que contienen nitrógeno se utilizan para aumentar la producción de alimentos, pero sus emisiones pueden contaminar el medio ambiente. Para maximizar el uso de los recursos, aumentar los rendimientos agrícolas y reducir los riesgos ambientales, es esencial el monitoreo continuo y en tiempo real de las propiedades del suelo, como la temperatura del suelo y la emisión de fertilizantes. Se necesita un sensor multiparamétrico para la agricultura inteligente o de precisión para rastrear las emisiones de gases NOX y la temperatura del suelo para la mejor fertilización.

James L. Henderson, Jr. Memorial, profesor asociado de ingeniería, ciencia y mecánica en Penn State Huanyu "Larry" Cheng, 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 eficiente, se necesita un monitoreo continuo y en tiempo real de las condiciones del suelo, específicamente la utilización de nitrógeno y la temperatura del suelo. Esto es esencial para evaluar la salud de los cultivos, reducir la contaminación ambiental y promover la agricultura sostenible y de precisión".

El estudio tiene como objetivo emplear la cantidad adecuada para el mejor rendimiento del cultivo. La producción del cultivo puede ser menor de lo que podría ser si se usa más nitrógeno. Cuando el fertilizante se aplica en exceso, se desperdicia, las plantas pueden quemarse y se liberan gases tóxicos de nitrógeno al medio ambiente. Los agricultores pueden alcanzar los niveles ideales de fertilizante para el crecimiento de las plantas con la ayuda de una detección precisa del nivel de nitrógeno.

El coautor Li Yang, profesor de la Escuela de Inteligencia Artificial de la Universidad Tecnológica de Hebei de 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 calientes o demasiado frías para sus cultivos".

Según Cheng, los mecanismos de detección que pueden obtener mediciones de temperatura y gas nitrógeno independientes entre sí rara vez se informan. Tanto los gases como la temperatura pueden provocar variaciones en la lectura de resistencia del sensor, lo que dificulta su distinción.

El equipo de Cheng creó un sensor de alto rendimiento que puede detectar la pérdida de nitrógeno independientemente de la temperatura del suelo. El sensor está hecho de espuma de grafeno inducida por láser y dopada con óxido de vanadio, y se ha descubierto que los complejos metálicos dopantes en el grafeno mejoran la adsorción de gas y la sensibilidad de detección.

Debido a que una membrana suave protege el sensor y evita la penetración de gas nitrógeno, el sensor solo reacciona a los cambios de temperatura. El sensor también se puede utilizar sin encapsulación y a una temperatura más alta.

Esto permite una medición precisa del gas nitrógeno al excluir los efectos de la humedad relativa y la temperatura del suelo. La temperatura y el gas nitrógeno pueden desacoplarse por completo y sin interferencias utilizando los sensores cerrados y no encapsulados.

El investigador dijo que el desacoplamiento de los cambios de temperatura y las emisiones de gas nitrógeno podría usarse para crear e implementar dispositivos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para la agricultura de precisión en todas las condiciones climáticas.

Cheng dijo: "La capacidad de detectar simultáneamente concentraciones ultrabajas de óxido de nitrógeno y pequeños cambios de temperatura allana el camino para el desarrollo de futuros dispositivos electrónicos multimodales con mecanismos de detección desacoplados para agricultura de precisión, monitoreo de la salud y otras aplicaciones".

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

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