新しい土壌センサーは作物の施肥効率を向上させる可能性がある

窒素を含む肥料は食糧生産を増やすために使用されますが、その排出により環境が汚染される可能性があります。資源の利用を最大化し、農作物の収量を高め、環境リスクを低減するには、土壌温度や肥料排出量などの土壌特性を継続的かつリアルタイムで監視することが不可欠です。スマート農業や精密農業には、NOX ガス排出量と土壌温度を追跡して最適な施肥を行うためのマルチパラメータ センサーが必要です。

ペンシルバニア州立大学の工学科学および機械学のジェームス L. ヘンダーソン ジュニア記念准教授、Huanyu "Larry" Cheng は、温度信号と窒素信号を分離してそれぞれの正確な測定を可能にするマルチパラメータ センサーの開発を主導しました。

チェン氏はこう語った。「効率的な施肥のためには、土壌状態、特に窒素利用量と土壌温度を継続的かつリアルタイムで監視する必要があります。これは作物の健康状態を評価し、環境汚染を軽減し、持続可能で精密な農業を促進するために不可欠です。」

この研究は、最高の作物収量を得るために適切な量を採用することを目的としています。作物の生産量は、より多くの窒素が使用された場合よりも低下する可能性があります。肥料が過剰に施用されると、肥料が無駄になり、植物が燃え、有毒な窒素ガスが環境中に放出されます。農家は、正確な窒素レベル検出を利用して、植物の成長に理想的な肥料レベルを達成できます。

共著者で中国の河北理工大学人工知能学部教授のリー・ヤン氏は次のように述べた。「植物の成長は温度にも影響され、土壌内の物理的、化学的、微生物学的プロセスに影響を与えます。継続的なモニタリングにより、農家は気温が作物にとって暑すぎたり寒すぎたりする場合に戦略と介入を立てることができます。」

Cheng 氏によると、窒素ガスと温度の測定値を互いに独立して取得できるセンシングメカニズムはほとんど報告されていません。ガスと温度の両方によってセンサーの抵抗値の測定値に変動が生じる可能性があり、それらを区別することが困難になります。

チェン氏のチームは、土壌温度とは無関係に窒素損失を検出できる高性能センサーを開発した。このセンサーは、酸化バナジウムをドープしたレーザー誘起グラフェン発泡体でできており、グラフェンに金属錯体をドーピングするとガスの吸着と検出感度が向上することが発見されました。

柔らかい膜がセンサーを保護し、窒素ガスの透過を防ぐため、センサーは温度変化のみに反応します。センサーは、カプセル化せずに高温で使用することもできます。

これにより、相対湿度や土壌温度の影響を排除して窒素ガスを正確に測定できます。密閉型のカプセル化されていないセンサーを使用すると、温度と窒素ガスを完全に干渉なく切り離すことができます。

研究者は、温度変化と窒素ガス排出の分離を利用すれば、あらゆる気象条件下で精密農業を行うための、分離されたセンシング機構を備えたマルチモーダルデバイスの作成と実装に使用できる可能性があると述べた。

チェン氏は、「超低濃度の窒素酸化物濃度と小さな温度変化を同時に検出できる機能は、精密農業、健康監視、その他のアプリケーション向けに、分離されたセンシング機構を備えた将来のマルチモーダル電子デバイスの開発への道を切り開きます。」と述べました。

チェン氏の研究は、国立衛生研究所、ペンシルベニア州立国立科学財団、中国国立自然科学財団から資金提供を受けている。