MADISON Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben kostengünstige Bodensensoren entwickelt

Shuohao Cai, ein Doktorand der Bodenkunde, platziert an der Hancock Agricultural Research Station der University of Wisconsin-Madison einen Sensorstab mit einem multifunktionalen Sensoraufkleber, der Messungen in unterschiedlichen Tiefen im Boden ermöglicht.
MADISON — Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben kostengünstige Sensoren entwickelt, die eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung des Nitratgehalts in den gängigen Böden Wisconsins ermöglichen. Diese gedruckten elektrochemischen Sensoren können Landwirten helfen, fundiertere Entscheidungen im Nährstoffmanagement zu treffen und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.
„Unsere Sensoren ermöglichen Landwirten ein besseres Verständnis des Nährstoffzustands ihres Bodens und der für ihre Pflanzen verfügbaren Nitratmenge. So können sie präziser entscheiden, wie viel Dünger sie tatsächlich benötigen“, sagte Joseph Andrews, Assistenzprofessor an der Harvard University. Die Studie wurde von der School of Mechanical Engineering der University of Wisconsin-Madison geleitet. „Wenn sie die Menge an Dünger, die sie kaufen, reduzieren können, könnten die Kosteneinsparungen für größere Farmen erheblich sein.“
Nitrate sind ein wichtiger Nährstoff für das Pflanzenwachstum. Überschüssiges Nitrat kann jedoch aus dem Boden austreten und ins Grundwasser gelangen. Diese Art der Verunreinigung ist schädlich für Menschen, die kontaminiertes Brunnenwasser trinken, und belastet die Umwelt. Der neue Sensor der Forscher könnte auch als Instrument der Agrarforschung eingesetzt werden, um die Nitratauswaschung zu überwachen und optimale Verfahren zur Eindämmung ihrer schädlichen Auswirkungen zu entwickeln.
Aktuelle Methoden zur Überwachung von Bodennitrat sind arbeitsintensiv, teuer und liefern keine Echtzeitdaten. Deshalb haben sich der Experte für gedruckte Elektronik Andrews und sein Team vorgenommen, eine bessere und kostengünstigere Lösung zu entwickeln.
In diesem Projekt verwendeten die Forscher ein Tintenstrahldruckverfahren, um einen potentiometrischen Sensor zu entwickeln, eine Art elektrochemischen Dünnschichtsensor. Potentiometrische Sensoren werden häufig zur genauen Messung von Nitrat in flüssigen Lösungen eingesetzt. Diese Sensoren sind jedoch im Allgemeinen nicht für den Einsatz in Bodenumgebungen geeignet, da große Bodenpartikel die Sensoren zerkratzen und genaue Messungen verhindern können.
„Die größte Herausforderung, die wir zu lösen versuchten, bestand darin, einen Weg zu finden, diese elektrochemischen Sensoren unter rauen Bodenbedingungen ordnungsgemäß zum Laufen zu bringen und Nitrationen genau zu erkennen“, sagte Andrews.
Die Lösung des Teams bestand darin, den Sensor mit einer Schicht Polyvinylidenfluorid zu beschichten. Laut Andrews weist dieses Material zwei wesentliche Eigenschaften auf: Erstens besitzt es winzige Poren von etwa 400 Nanometern Größe, die Nitrationen passieren lassen, Bodenpartikel jedoch blockieren. Zweitens ist es hydrophil, das heißt, es zieht Wasser an und saugt es wie ein Schwamm auf.
„Nitratreiches Wasser sickert bevorzugt in unsere Sensoren ein. Das ist sehr wichtig, denn der Boden ist wie ein Schwamm. Wenn die Wasseraufnahme nicht die gleiche ist, verliert man den Kampf gegen Feuchtigkeit im Sensor. Bodenpotenzial“, sagte Andrews. „Diese Eigenschaften der Polyvinylidenfluoridschicht ermöglichen es uns, nitratreiches Wasser zu extrahieren, es an die Sensoroberfläche zu leiten und Nitrat präzise zu erkennen.“
Die Forscher erläuterten ihre Fortschritte in einem im März 2024 in der Zeitschrift Advanced Materials Technology veröffentlichten Artikel.
Das Team testete seinen Sensor an zwei verschiedenen Bodenarten, die in Wisconsin vorkommen – sandigen Böden, die im zentralen Norden des Staates häufig vorkommen, und schluffigen Lehmböden, die im Südwesten von Wisconsin häufig vorkommen – und stellte fest, dass die Sensoren genaue Ergebnisse lieferten.
Die Forscher integrieren ihren Nitratsensor nun in ein multifunktionales Sensorsystem, das sie „Sensoraufkleber“ nennen. Dabei sind drei verschiedene Sensortypen mit einer selbstklebenden Rückseite auf einer flexiblen Kunststoffoberfläche befestigt. Die Aufkleber enthalten außerdem Feuchtigkeits- und Temperatursensoren.
Die Forscher befestigten mehrere Sensoraufkleber an einem Pfosten, platzierten sie in unterschiedlichen Höhen und vergruben den Pfosten anschließend im Boden. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen, Messungen in unterschiedlichen Bodentiefen durchzuführen.
„Indem wir Nitrat, Feuchtigkeit und Temperatur in verschiedenen Tiefen messen, können wir jetzt 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 in den Boden der Hancock Agricultural Research Station und der Arlington Agricultural Research Station der University of Wisconsin-Madison zu stecken, um den Sensor weiter zu testen.