새로운 토양 센서는 작물 시비 효율성을 향상시킬 수 있습니다

질소를 함유한 비료는 식량 생산량을 늘리는 데 사용되지만, 그 배출물은 환경을 오염시킬 수 있습니다.자원 활용을 극대화하고 농업 생산량을 높이며 환경 위험을 낮추기 위해서는 토양 온도, 비료 배출 등 토양 특성에 대한 지속적인 실시간 모니터링이 필수적입니다.최적의 비료 공급을 위해 NOX 가스 배출과 토양 온도를 추적하는 스마트 또는 정밀 농업에는 다중 매개변수 센서가 필요합니다.

Penn State Huanyu "Larry" Cheng의 엔지니어링 과학 및 기계공학과 James L. Henderson Jr. Memorial 부교수는 온도와 질소 신호를 성공적으로 분리하여 각각의 정확한 측정을 가능하게 하는 다중 매개변수 센서의 개발을 주도했습니다.

쳉이 말했다.“효율적인 시비를 위해서는 토양 상태, 특히 질소 활용 및 토양 온도에 대한 지속적이고 실시간 모니터링이 필요합니다.이는 작물 건강을 평가하고, 환경 오염을 줄이고, 지속 가능하고 정밀한 농업을 촉진하는 데 필수적입니다.”

이 연구는 최고의 작물 수확량을 위해 적절한 양을 사용하는 것을 목표로 합니다.더 많은 질소를 사용하면 작물 생산량이 실제보다 낮아질 수 있습니다.비료를 과도하게 사용하면 낭비되고 식물이 탈 수 있으며 독성 질소 연기가 환경으로 방출됩니다.농부들은 정확한 질소 수준 감지를 통해 식물 성장에 이상적인 비료 수준에 도달할 수 있습니다.

공동저자인 중국 허베이 공과대학교 인공지능대학 교수인 리양(Li Yang)은 다음과 같이 말했습니다.“식물 성장은 온도의 영향도 받습니다. 이는 토양의 물리적, 화학적, 미생물학적 과정에 영향을 미칩니다.지속적인 모니터링을 통해 농부들은 작물의 온도가 너무 높거나 낮을 때 전략과 개입을 개발할 수 있습니다."

Cheng에 따르면, 질소 가스와 온도 측정값을 서로 독립적으로 얻을 수 있는 감지 메커니즘은 거의 보고되지 않았습니다.가스와 온도 모두 센서의 저항 판독값에 변화를 일으킬 수 있어 둘을 구별하기가 어렵습니다.

Cheng 팀은 토양 온도와 관계없이 질소 손실을 감지할 수 있는 고성능 센서를 만들었습니다.센서는 산화바나듐이 도핑된 레이저 유도 그래핀 폼으로 만들어졌으며, 그래핀에 금속 복합체를 도핑하면 가스 흡착 및 감지 감도가 향상되는 것으로 밝혀졌습니다.

부드러운 멤브레인이 센서를 보호하고 질소 가스 침투를 방지하기 때문에 센서는 온도 변화에만 반응합니다.센서는 캡슐화 없이 더 높은 온도에서도 사용할 수 있습니다.

이를 통해 상대습도와 토양온도의 영향을 배제하여 질소가스를 정확하게 측정할 수 있습니다.온도와 질소 가스는 밀폐되고 캡슐화되지 않은 센서를 사용하여 간섭 없이 완전히 분리될 수 있습니다.

연구원은 온도 변화와 질소 가스 배출을 분리하여 모든 기상 조건에서 정밀 농업을 위한 분리된 감지 메커니즘을 갖춘 다중 모드 장치를 만들고 구현하는 데 사용될 수 있다고 말했습니다.

Cheng은 "초저질소 산화물 농도와 작은 온도 변화를 동시에 감지하는 기능은 정밀 농업, 건강 모니터링 및 기타 응용 분야를 위한 분리된 감지 메커니즘을 갖춘 미래의 다중 모드 전자 장치 개발을 위한 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.

Cheng의 연구는 국립보건원(National Institutes of Health), 국립과학재단(National Science Foundation), 펜스테이트(Penn State), 중국 국립자연과학재단(China National Natural Science Foundation)의 지원을 받았습니다.