ნიადაგმცოდნეობის დოქტორანტი შუოჰაო კაი ვისკონსინის უნივერსიტეტის - მედისონის ჰენკოკის სასოფლო-სამეურნეო კვლევით სადგურზე ათავსებს მრავალფუნქციური სტიკერით დამაგრებულ სენსორულ ღეროს, რომელიც ნიადაგში სხვადასხვა სიღრმეზე გაზომვების ჩატარების საშუალებას იძლევა.
მედისონი — ვისკონსინ-მედისონის უნივერსიტეტის ინჟინრებმა შეიმუშავეს დაბალფასიანი სენსორები, რომლებსაც შეუძლიათ ვისკონსინის ნიადაგის ტიპებში ნიტრატების უწყვეტი, რეალურ დროში მონიტორინგის უზრუნველყოფა. ეს დაბეჭდილი ელექტროქიმიური სენსორები ფერმერებს დაეხმარება საკვები ნივთიერებების მართვის უფრო ინფორმირებული გადაწყვეტილებების მიღებასა და ეკონომიკური სარგებლის მიღებაში.
„ჩვენი სენსორები ფერმერებს საშუალებას აძლევს უკეთ გაიგონ მათი ნიადაგის კვებითი სტატუსი და მცენარეებისთვის ხელმისაწვდომი ნიტრატის რაოდენობა, რაც მათ დაეხმარება უფრო ზუსტად გადაწყვიტონ, რამდენი სასუქი სჭირდებათ სინამდვილეში“, - თქვა ჯოზეფ ენდრიუსმა, ჰარვარდის უნივერსიტეტის ასისტენტ-პროფესორმა. კვლევას ხელმძღვანელობდა ვისკონსინ-მედისონის უნივერსიტეტის მექანიკური ინჟინერიის სკოლა. „თუ ისინი შეძლებენ შეძენილი სასუქის რაოდენობის შემცირებას, ხარჯების დაზოგვა შეიძლება მნიშვნელოვანი იყოს უფრო დიდი ფერმებისთვის“.
ნიტრატები კულტურების ზრდისთვის აუცილებელი საკვები ნივთიერებაა, თუმცა ნიტრატების ჭარბი რაოდენობა შეიძლება გამოჟონოს ნიადაგიდან და მოხვდეს მიწისქვეშა წყლებში. ამ ტიპის დაბინძურება საზიანოა იმ ადამიანებისთვის, რომლებიც სვამენ დაბინძურებულ ჭის წყალს და საზიანოა გარემოსთვის. მკვლევართა ახალი სენსორი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც სასოფლო-სამეურნეო კვლევის ინსტრუმენტი ნიტრატების გამოჟონვის მონიტორინგისთვის და მისი მავნე ზემოქმედების შესამცირებლად საუკეთესო პრაქტიკის შემუშავებისთვის.
ნიადაგში ნიტრატების მონიტორინგის ამჟამინდელი მეთოდები შრომატევადი, ძვირია და რეალურ დროში მონაცემებს არ იძლევა. სწორედ ამიტომ, დაბეჭდილი ელექტრონიკის ექსპერტმა ენდრიუსმა და მისმა გუნდმა უკეთესი და ნაკლებად ძვირადღირებული გადაწყვეტის შექმნა გადაწყვიტეს.
ამ პროექტში მკვლევარებმა გამოიყენეს ჭავლური ბეჭდვის პროცესი პოტენციომეტრიული სენსორის შესაქმნელად, რომელიც თხელფენოვანი ელექტროქიმიური სენსორის ტიპია. პოტენციომეტრიული სენსორები ხშირად გამოიყენება თხევად ხსნარებში ნიტრატის ზუსტი გაზომვისთვის. თუმცა, ეს სენსორები, როგორც წესი, არ არის შესაფერისი ნიადაგის გარემოში გამოსაყენებლად, რადგან ნიადაგის დიდმა ნაწილაკებმა შეიძლება დაკაწრონ სენსორები და ხელი შეუშალონ ზუსტ გაზომვებს.
„მთავარი გამოწვევა, რომლის გადაჭრასაც ვცდილობდით, იყო იმ გზის პოვნა, რომლითაც ეს ელექტროქიმიური სენსორები სათანადოდ იმუშავებდნენ ნიადაგის მკაცრ პირობებში და ზუსტად აღმოაჩენდნენ ნიტრატის იონებს“, - თქვა ენდრიუსმა.
გუნდის გადაწყვეტა იყო სენსორზე პოლივინილიდენ ფტორიდის ფენის განთავსება. ენდრიუსის თქმით, ამ მასალას ორი ძირითადი მახასიათებელი აქვს. პირველი, მას აქვს ძალიან პაწაწინა ფორები, დაახლოებით 400 ნანომეტრის ზომის, რომლებიც ნიტრატის იონებს საშუალებას აძლევს გაიარონ და ამავდროულად ნიადაგის ნაწილაკებს ბლოკავენ. მეორეც, ის ჰიდროფილურია, ანუ იზიდავს წყალს და შთანთქავს მას ღრუბელივით.
„ამრიგად, ნიტრატებით მდიდარი ნებისმიერი წყალი უპირატესად შეაღწევს ჩვენს სენსორებში, რაც მართლაც მნიშვნელოვანია, რადგან ნიადაგი ასევე ღრუბელივითაა და თუ იგივე წყლის შთანთქმას ვერ მიაღწევთ, სენსორში ტენიანობის მოხვედრასთან დაკავშირებით ბრძოლას წააგებთ. ნიადაგის პოტენციალი“, - თქვა ენდრიუსმა. „პოლივინილიდენფტორიდის ფენის ეს თვისებები საშუალებას გვაძლევს, ამოვიღოთ ნიტრატებით მდიდარი წყალი, მივაწოდოთ ის სენსორის ზედაპირზე და ზუსტად აღმოვაჩინოთ ნიტრატი“.
მკვლევრებმა დეტალურად აღწერეს თავიანთი პროგრესი 2024 წლის მარტში ჟურნალ „Advanced Materials Technology“-ში გამოქვეყნებულ ნაშრომში.
გუნდმა სენსორი ვისკონსინთან დაკავშირებულ ორ სხვადასხვა ნიადაგის ტიპზე გამოსცადა — ქვიშიან ნიადაგებზე, რომლებიც შტატის ჩრდილო-ცენტრალურ ნაწილებში არის გავრცელებული და ლამიან თიხნარ ნიადაგებზე, რომლებიც სამხრეთ-დასავლეთ ვისკონსინში არის გავრცელებული — და აღმოაჩინა, რომ სენსორებმა ზუსტი შედეგები მოგვცეს.
მკვლევრები ამჟამად ნიტრატის სენსორს მრავალფუნქციურ სენსორულ სისტემაში აერთიანებენ, რომელსაც ისინი „სენსორულ სტიკერს“ უწოდებენ და რომელშიც სამი სხვადასხვა ტიპის სენსორი წებოვანი ფენის გამოყენებით მოქნილ პლასტმასის ზედაპირზეა დამონტაჟებული. სტიკერები ასევე შეიცავს ტენიანობისა და ტემპერატურის სენსორებს.
მკვლევრები ბოძზე რამდენიმე სენსორულ სტიკერს მიამაგრებენ, სხვადასხვა სიმაღლეზე განათავსებენ და შემდეგ ბოძს მიწაში ჩამარხავენ. ამან მათ ნიადაგის სხვადასხვა სიღრმეზე გაზომვების განხორციელების საშუალება მისცა.
„ნიტრატის, ტენიანობისა და ტემპერატურის სხვადასხვა სიღრმეზე გაზომვით, ახლა უკვე შეგვიძლია ნიტრატის გამორეცხვის პროცესის რაოდენობრივი განსაზღვრა და იმის გაგება, თუ როგორ მოძრაობს ნიტრატი ნიადაგში, რაც აქამდე შეუძლებელი იყო“, - თქვა ენდრიუსმა.
2024 წლის ზაფხულში მკვლევარები გეგმავენ 30 სენსორული ღეროს ნიადაგში განთავსებას ჰენკოკის სოფლის მეურნეობის კვლევით სადგურსა და ვისკონსინ-მედისონის უნივერსიტეტის არლინგტონის სოფლის მეურნეობის კვლევით სადგურში, რათა შემდგომში გამოსცადონ სენსორი.
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 9 ივლისი