Shuohao Cai, seorang mahasiswa doktoral di bidang ilmu tanah, memasang batang sensor dengan stiker sensor multifungsi yang memungkinkan pengukuran pada kedalaman berbeda di dalam tanah di Stasiun Penelitian Pertanian Hancock Universitas Wisconsin-Madison.
MADISON — Para insinyur Universitas Wisconsin-Madison telah mengembangkan sensor berbiaya rendah yang dapat memberikan pemantauan nitrat secara terus menerus dan real-time pada jenis tanah umum di Wisconsin. Sensor elektrokimia tercetak ini dapat membantu petani membuat keputusan pengelolaan nutrisi yang lebih tepat dan mewujudkan manfaat ekonomi.
“Sensor kami dapat memberi petani pemahaman yang lebih baik tentang status nutrisi tanah mereka dan jumlah nitrat yang tersedia untuk tanaman mereka, membantu mereka memutuskan dengan lebih akurat berapa banyak pupuk yang sebenarnya mereka butuhkan,” kata Joseph Andrews, asisten profesor di Universitas Harvard. Studi ini dipimpin oleh Sekolah Teknik Mesin di Universitas Wisconsin-Madison. “Jika mereka dapat mengurangi jumlah pupuk yang mereka beli, penghematan biaya bisa signifikan untuk pertanian yang lebih besar.”
Nitrat merupakan nutrisi penting untuk pertumbuhan tanaman, tetapi kelebihan nitrat dapat meresap dari tanah dan masuk ke air tanah. Kontaminasi jenis ini berbahaya bagi orang yang minum air sumur yang terkontaminasi dan juga berbahaya bagi lingkungan. Sensor baru yang dikembangkan para peneliti ini juga dapat digunakan sebagai alat penelitian pertanian untuk memantau perembesan nitrat dan membantu mengembangkan praktik terbaik untuk mengurangi dampak buruknya.
Metode yang ada saat ini untuk memantau nitrat tanah membutuhkan banyak tenaga kerja, mahal, dan tidak memberikan data secara real-time. Itulah mengapa pakar elektronika tercetak, Andrews, dan timnya berupaya menciptakan solusi yang lebih baik dan lebih murah.
Dalam proyek ini, para peneliti menggunakan proses pencetakan inkjet untuk membuat sensor potensiometrik, yaitu jenis sensor elektrokimia film tipis. Sensor potensiometrik sering digunakan untuk mengukur nitrat secara akurat dalam larutan cair. Namun, sensor ini umumnya tidak cocok untuk digunakan di lingkungan tanah karena partikel tanah yang besar dapat menggores sensor dan mencegah pengukuran yang akurat.
“Tantangan utama yang ingin kami atasi adalah menemukan cara agar sensor elektrokimia ini dapat bekerja dengan baik dalam kondisi tanah yang keras dan mendeteksi ion nitrat secara akurat,” kata Andrews.
Solusi tim tersebut adalah dengan menempatkan lapisan polivinilidena fluorida pada sensor. Menurut Andrews, material ini memiliki dua karakteristik utama. Pertama, ia memiliki pori-pori yang sangat kecil, berukuran sekitar 400 nanometer, yang memungkinkan ion nitrat melewatinya sambil menghalangi partikel tanah. Kedua, ia bersifat hidrofilik, yaitu, ia menarik air dan menyerapnya seperti spons.
“Jadi, air yang kaya nitrat akan lebih mudah meresap ke dalam sensor kami, yang sangat penting karena tanah juga seperti spons dan Anda akan kalah dalam hal kelembapan yang masuk ke sensor jika Anda tidak mendapatkan penyerapan air yang sama. Potensi tanah,” kata Andrews. “Sifat-sifat lapisan polivinilidena fluorida ini memungkinkan kami untuk mengekstrak air yang kaya nitrat, mengirimkannya ke permukaan sensor, dan mendeteksi nitrat secara akurat.”
Para peneliti merinci kemajuan mereka dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada Maret 2024 di jurnal Advanced Materials Technology.
Tim tersebut menguji sensor mereka pada dua jenis tanah berbeda yang terkait dengan Wisconsin—tanah berpasir, yang umum di bagian tengah utara negara bagian, dan tanah lempung berpasir, yang umum di Wisconsin barat daya—dan menemukan bahwa sensor tersebut menghasilkan hasil yang akurat.
Para peneliti kini mengintegrasikan sensor nitrat mereka ke dalam sistem sensor multifungsi yang mereka sebut "stiker sensor," di mana tiga jenis sensor berbeda dipasang pada permukaan plastik fleksibel menggunakan perekat. Stiker tersebut juga berisi sensor kelembaban dan suhu.
Para peneliti akan menempelkan beberapa stiker sensorik pada sebuah tiang, menempatkannya pada ketinggian yang berbeda, lalu mengubur tiang tersebut di dalam tanah. Pengaturan ini memungkinkan mereka untuk mengambil pengukuran pada kedalaman tanah yang berbeda.
“Dengan mengukur nitrat, kelembapan, dan suhu pada kedalaman yang berbeda, kita sekarang dapat mengkuantifikasi proses pelarutan nitrat dan memahami bagaimana nitrat bergerak melalui tanah, yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan,” kata Andrews.
Pada musim panas tahun 2024, para peneliti berencana untuk menempatkan 30 batang sensor di dalam tanah di Stasiun Penelitian Pertanian Hancock dan Stasiun Penelitian Pertanian Arlington di Universitas Wisconsin-Madison untuk menguji sensor tersebut lebih lanjut.
Waktu posting: 09 Juli 2024