새로운 토양 센서로 작물 비료 효율 향상 가능

질소를 함유한 비료는 식량 생산량 증대에 사용되지만, 이러한 비료의 배출은 환경을 오염시킬 수 있습니다. 자원 활용 극대화, 농업 수확량 증대, 환경 위험 감소를 위해서는 토양 온도 및 비료 배출량과 같은 토양 특성을 지속적이고 실시간으로 모니터링하는 것이 필수적입니다. 스마트 농업이나 정밀 농업에는 최적의 비료 공급을 위해 NOx 배출량과 토양 온도를 추적하는 다중 매개변수 센서가 필수적입니다.

펜실베이니아 주립대학교 공학 과학 및 역학과 제임스 L. 헨더슨 주니어 기념 조교수인 후안위 "래리" 청은 온도와 질소 신호를 성공적으로 분리하여 각각을 정확하게 측정할 수 있는 다중 매개변수 센서의 개발을 주도했습니다.

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

이 연구는 작물 수확량을 극대화하기 위한 적정량의 비료 사용을 목표로 합니다. 질소를 더 많이 사용하면 작물 생산량이 예상보다 낮아질 수 있습니다. 비료를 과도하게 사용하면 비료가 낭비되고, 식물이 타며, 유독한 질소 가스가 환경으로 배출됩니다. 농부들은 정확한 질소 농도 측정을 통해 식물 생장에 이상적인 비료 농도를 확보할 수 있습니다.

중국 허베이 공업 대학 인공지능 학원의 공동 저자인 리 양 교수는 다음과 같이 말했습니다.식물 성장은 온도의 영향을 받는데, 온도는 토양의 물리적, 화학적, 미생물학적 과정에 영향을 미칩니다. 지속적인 모니터링을 통해 농부들은 작물에 너무 덥거나 추운 기온이 발생할 때 적절한 전략과 조치를 개발할 수 있습니다.

Cheng에 따르면, 질소 가스와 온도 측정값을 서로 독립적으로 얻을 수 있는 감지 메커니즘은 거의 보고되지 않았습니다. 가스와 온도는 모두 센서의 저항 측정값에 변화를 일으켜 두 가스를 구분하기 어렵게 만듭니다.

Cheng의 연구팀은 토양 온도와 관계없이 질소 손실을 감지할 수 있는 고성능 센서를 개발했습니다. 이 센서는 산화바나듐이 도핑된 레이저 유도 그래핀 폼으로 제작되었으며, 그래핀에 금속 복합체를 도핑하면 기체 흡착 및 감지 감도가 향상되는 것으로 밝혀졌습니다.

부드러운 멤브레인이 센서를 보호하고 질소 가스 투과를 차단하기 때문에 센서는 온도 변화에만 반응합니다. 또한, 캡슐화 없이 더 높은 온도에서도 사용할 수 있습니다.

이를 통해 상대 습도와 토양 온도의 영향을 배제하여 질소 가스를 정확하게 측정할 수 있습니다. 온도와 질소 가스는 밀폐형 및 비캡슐형 센서를 사용하여 간섭 없이 완전히 분리할 수 있습니다.

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

정 박사는 "초저질소산화물 농도와 작은 온도 변화를 동시에 감지하는 기능은 정밀 농업, 건강 모니터링 및 기타 응용 분야에서 분리된 감지 메커니즘을 갖춘 미래 다중 모드 전자 장치를 개발하는 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.

정 박사의 연구는 미국 국립보건원, 미국 국립과학재단, 펜실베이니아 주립대, 중국 국립자연과학기금의 지원을 받아 진행되었습니다.