새로운 토양 센서가 작물 비료 효율을 향상시킬 수 있다

질소를 함유한 비료는 식량 생산량 증대에 사용되지만, 비료에서 배출되는 질소산화물(NOx)은 환경을 오염시킬 수 있습니다. 자원 활용을 극대화하고 농작물 수확량을 늘리며 환경 위험을 줄이기 위해서는 토양 온도 및 비료 배출량과 같은 토양 특성을 지속적이고 실시간으로 모니터링하는 것이 필수적입니다. 최적의 시비를 위해 질소산화물 배출량과 토양 온도를 추적하는 스마트 농업 또는 정밀 농업에는 다중 매개변수 센서가 필요합니다.

펜실베이니아 주립대학교 공학과학 및 역학과의 제임스 L. 헨더슨 주니어 기념 부교수인 후안유 "래리" 청은 온도와 질소 신호를 성공적으로 분리하여 각각을 정확하게 측정할 수 있는 다중 매개변수 센서 개발을 주도했습니다.

청은 말했다.효율적인 시비를 위해서는 토양 상태, 특히 질소 이용률과 토양 온도를 지속적이고 실시간으로 모니터링해야 합니다. 이는 작물 건강 평가, 환경 오염 감소, 그리고 지속 가능하고 정밀한 농업을 촉진하는 데 필수적입니다.

본 연구는 작물 수확량을 최적화하기 위한 적절한 질소 비료 사용량을 파악하는 것을 목표로 합니다. 질소 비료를 과다하게 사용하면 작물 생산량이 감소할 수 있습니다. 또한, 비료가 낭비될 뿐만 아니라 작물이 타버릴 수 있고, 유독성 질소 가스가 환경으로 배출됩니다. 농부들은 정확한 질소 함량 측정을 통해 작물 생장에 이상적인 비료 사용량을 결정할 수 있습니다.

공동 저자인 중국 허베이 공업대학교 인공지능학과 리양 교수는 다음과 같이 말했다."식물 생장은 온도의 영향을 받는데, 온도는 토양의 물리적, 화학적, 미생물학적 과정에 영향을 미칩니다. 지속적인 모니터링을 통해 농부들은 작물에 너무 덥거나 너무 추운 온도일 때 대처 전략과 개입 방안을 마련할 수 있습니다."

청에 따르면, 질소 가스와 온도를 서로 독립적으로 측정할 수 있는 감지 메커니즘은 거의 보고되지 않았다. 가스와 온도는 모두 센서의 저항값에 변화를 일으킬 수 있어 둘을 구분하기 어렵다.

청 교수 연구팀은 토양 온도와 관계없이 질소 손실을 감지할 수 있는 고성능 센서를 개발했습니다. 이 센서는 산화바나듐이 도핑된 레이저 유도 그래핀 폼으로 만들어졌으며, 그래핀에 금속 착물을 도핑하면 가스 흡착 및 감지 감도가 향상된다는 사실이 밝혀졌습니다.

부드러운 막이 센서를 보호하고 질소 가스의 투과를 막기 때문에 센서는 온도 변화에만 반응합니다. 또한 센서는 캡슐화 없이 더 높은 온도에서도 사용할 수 있습니다.

이를 통해 상대 습도 및 토양 온도의 ​​영향을 배제하고 질소 가스를 정확하게 측정할 수 있습니다. 밀폐형 및 비밀폐형 센서를 사용하면 온도와 질소 가스를 간섭 없이 완벽하게 분리할 수 있습니다.

연구원은 온도 변화와 질소 가스 배출량을 분리하면 모든 기상 조건에서 정밀 농업을 위한 분리된 감지 메커니즘을 갖춘 다중 모드 장치를 개발하고 구현하는 데 사용할 수 있다고 말했습니다.

청 교수는 "극저농도의 질소산화물과 미세한 온도 변화를 동시에 감지할 수 있는 능력은 정밀 농업, 건강 모니터링 및 기타 응용 분야를 위한 분리된 감지 메커니즘을 갖춘 미래의 다중 모드 전자 장치 개발의 길을 열어준다"고 말했다.

청의 연구는 미국 국립보건원, 미국 국립과학재단, 펜실베이니아 주립대학교, 그리고 중국 국가자연과학기금의 지원을 받았습니다.