MADISON – Ingenieure der Universität Wisconsin-Madison haben kostengünstige Bodensensoren entwickelt

Shuohao Cai, Doktorand der Bodenkunde, platziert an der Hancock Agricultural Research Station der University of Wisconsin-Madison einen Sensorstab mit einem Multifunktionssensoraufkleber, der Messungen in verschiedenen Bodentiefen ermöglicht.
MADISON – Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben kostengünstige Sensoren entwickelt, die eine kontinuierliche Echtzeit-Überwachung des Nitratgehalts in gängigen Bodentypen Wisconsins ermöglichen. Diese gedruckten elektrochemischen Sensoren können Landwirten helfen, fundiertere Entscheidungen zum Nährstoffmanagement zu treffen und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.
„Unsere Sensoren ermöglichen Landwirten ein besseres Verständnis des Nährstoffgehalts ihrer Böden und der für ihre Pflanzen verfügbaren Nitratmenge. Dadurch können sie genauer bestimmen, wie viel Dünger sie tatsächlich benötigen“, sagte Joseph Andrews, Assistenzprofessor an der Harvard University. Die Studie wurde von der Fakultät für Maschinenbau der University of Wisconsin-Madison geleitet. „Wenn sie die Menge des gekauften Düngers reduzieren können, könnten die Kosteneinsparungen für größere Betriebe erheblich sein.“
Nitrate sind ein essenzieller Nährstoff für das Pflanzenwachstum, doch überschüssige Nitrate können aus dem Boden ausgewaschen werden und ins Grundwasser gelangen. Diese Art der Belastung ist schädlich für Menschen, die kontaminiertes Brunnenwasser trinken, und schädigt die Umwelt. Der neue Sensor der Forscher könnte auch als Instrument in der Agrarforschung eingesetzt werden, um die Nitratauswaschung zu überwachen und optimale Verfahren zur Minderung ihrer schädlichen Auswirkungen zu entwickeln.
Die derzeitigen Methoden zur Überwachung des Nitratgehalts im Boden sind arbeitsintensiv, teuer und liefern keine Echtzeitdaten. Deshalb machte sich der Experte für gedruckte Elektronik, Andrews, mit seinem Team daran, eine bessere und kostengünstigere Lösung zu entwickeln.
In diesem Projekt nutzten die Forscher ein Tintenstrahldruckverfahren zur Herstellung eines potentiometrischen Sensors, einer Art elektrochemischer Dünnschichtsensor. Potentiometrische Sensoren werden häufig zur präzisen Messung von Nitrat in flüssigen Lösungen eingesetzt. Allerdings sind diese Sensoren im Allgemeinen nicht für den Einsatz in Böden geeignet, da große Bodenpartikel die Sensoren beschädigen und somit genaue Messungen verhindern können.
„Die größte Herausforderung, die wir zu lösen versuchten, bestand darin, einen Weg zu finden, diese elektrochemischen Sensoren so einzustellen, dass sie unter schwierigen Bodenbedingungen einwandfrei funktionieren und Nitrat-Ionen präzise erfassen“, sagte Andrews.
Die Lösung des Teams bestand darin, eine Schicht Polyvinylidenfluorid auf den Sensor aufzubringen. Laut Andrews weist dieses Material zwei entscheidende Eigenschaften auf. Erstens besitzt es winzige Poren mit einem Durchmesser von etwa 400 Nanometern, die Nitrat-Ionen durchlassen, während sie Bodenpartikel zurückhalten. Zweitens ist es hydrophil, das heißt, es zieht Wasser an und saugt es wie ein Schwamm auf.
„Nitratreiches Wasser sickert daher bevorzugt in unsere Sensoren ein, was sehr wichtig ist, da der Boden wie ein Schwamm wirkt. Ohne diese Wasseraufnahme ist es unmöglich, Feuchtigkeit in den Sensor zu transportieren. Das Bodenpotenzial spielt dabei eine entscheidende Rolle“, erklärte Andrews. „Dank dieser Eigenschaften der Polyvinylidenfluorid-Schicht können wir nitratreiches Wasser extrahieren, es der Sensoroberfläche zuführen und Nitrat präzise messen.“
Die Forscher beschrieben ihre Fortschritte in einem Artikel, der im März 2024 in der Fachzeitschrift Advanced Materials Technology veröffentlicht wurde.
Das Team testete seinen Sensor an zwei verschiedenen Bodentypen, die typisch für Wisconsin sind – sandigen Böden, die in den nördlichen Zentralteilen des Bundesstaates häufig vorkommen, und schluffigen Lehmböden, die im Südwesten Wisconsins verbreitet sind – und stellte fest, dass die Sensoren genaue Ergebnisse lieferten.
Die Forscher integrieren ihren Nitratsensor nun in ein multifunktionales Sensorsystem, das sie „Sensoraufkleber“ nennen. Dabei werden drei verschiedene Sensortypen mithilfe einer Kleberückseite auf einer flexiblen Kunststoffoberfläche befestigt. Die Aufkleber enthalten außerdem Feuchtigkeits- und Temperatursensoren.
Die Forscher befestigen mehrere sensorische Aufkleber an einem Pfosten, platzieren diese in unterschiedlichen Höhen und vergraben den Pfosten anschließend in der Erde. Diese Anordnung ermöglicht es ihnen, Messungen in verschiedenen Bodentiefen durchzuführen.
„Durch die Messung von Nitrat, Feuchtigkeit und Temperatur in verschiedenen Tiefen können wir nun den Nitratauswaschungsprozess quantifizieren und verstehen, wie sich Nitrat durch den Boden bewegt, was vorher nicht möglich war“, sagte Andrews.
Im Sommer 2024 planen die Forscher, 30 Sensorstäbe im Boden der Hancock Agricultural Research Station und der Arlington Agricultural Research Station der University of Wisconsin-Madison zu platzieren, um den Sensor weiter zu testen.