Sensor tanah baru dapat meningkatkan efisiensi pemupukan tanaman.

Pupuk yang mengandung nitrogen digunakan untuk meningkatkan produksi pangan, tetapi emisinya dapat mencemari lingkungan. Untuk memaksimalkan penggunaan sumber daya, meningkatkan hasil pertanian, dan menurunkan risiko lingkungan, pemantauan terus-menerus dan secara real-time terhadap sifat-sifat tanah, seperti suhu tanah dan emisi pupuk, sangat penting. Sensor multi-parameter diperlukan untuk pertanian cerdas atau presisi guna melacak emisi gas NOX dan suhu tanah untuk pemupukan terbaik.

Profesor Madya Ilmu Rekayasa dan Mekanika James L. Henderson, Jr. Memorial di Penn State, Huanyu “Larry” Cheng, memimpin pengembangan sensor multi-parameter yang berhasil memisahkan sinyal suhu dan nitrogen untuk memungkinkan pengukuran yang akurat dari masing-masing parameter.

Cheng berkata,“Untuk pemupukan yang efisien, diperlukan pemantauan kondisi tanah secara terus menerus dan real-time, khususnya pemanfaatan nitrogen dan suhu tanah. Hal ini penting untuk mengevaluasi kesehatan tanaman, mengurangi pencemaran lingkungan, dan mempromosikan pertanian berkelanjutan dan presisi.”

Studi ini bertujuan untuk menggunakan jumlah yang tepat untuk hasil panen terbaik. Produksi tanaman mungkin lebih rendah daripada jika nitrogen yang digunakan lebih banyak. Ketika pupuk diaplikasikan secara berlebihan, pupuk tersebut terbuang sia-sia, tanaman dapat terbakar, dan asap nitrogen beracun dilepaskan ke lingkungan. Petani dapat mencapai tingkat pupuk yang ideal untuk pertumbuhan tanaman dengan bantuan deteksi tingkat nitrogen yang akurat.

Penulis bersama Li Yang, seorang profesor di Sekolah Kecerdasan Buatan di Universitas Teknologi Hebei, Tiongkok, mengatakan,“Pertumbuhan tanaman juga dipengaruhi oleh suhu, yang memengaruhi proses fisik, kimia, dan mikrobiologis di dalam tanah. Pemantauan berkelanjutan memungkinkan petani untuk mengembangkan strategi dan intervensi ketika suhu terlalu panas atau terlalu dingin untuk tanaman mereka.”

Menurut Cheng, mekanisme penginderaan yang dapat memperoleh pengukuran gas nitrogen dan suhu secara independen satu sama lain jarang dilaporkan. Baik gas maupun suhu dapat menyebabkan variasi pada pembacaan resistansi sensor, sehingga sulit untuk membedakan keduanya.

Tim Cheng menciptakan sensor berkinerja tinggi yang dapat mendeteksi kehilangan nitrogen secara independen dari suhu tanah. Sensor ini terbuat dari busa grafena yang diinduksi laser dan diberi doping vanadium oksida, dan telah ditemukan bahwa doping kompleks logam dalam grafena meningkatkan adsorpsi gas dan sensitivitas deteksi.

Karena membran lunak melindungi sensor dan mencegah penetrasi gas nitrogen, sensor hanya bereaksi terhadap perubahan suhu. Sensor ini juga dapat digunakan tanpa enkapsulasi dan pada suhu yang lebih tinggi.

Hal ini memungkinkan pengukuran gas nitrogen yang akurat dengan mengesampingkan pengaruh kelembaban relatif dan suhu tanah. Suhu dan gas nitrogen dapat dipisahkan sepenuhnya dan tanpa gangguan menggunakan sensor tertutup dan tidak tertutup.

Peneliti tersebut mengatakan bahwa pemisahan perubahan suhu dan emisi gas nitrogen dapat digunakan untuk menciptakan dan menerapkan perangkat multimodal dengan mekanisme penginderaan terpisah untuk pertanian presisi dalam segala kondisi cuaca.

Cheng mengatakan, “Kemampuan untuk mendeteksi secara simultan konsentrasi nitrogen oksida ultra-rendah dan perubahan suhu kecil membuka jalan bagi pengembangan perangkat elektronik multimodal masa depan dengan mekanisme penginderaan terpisah untuk pertanian presisi, pemantauan kesehatan, dan aplikasi lainnya.”

Penelitian Cheng didanai oleh National Institutes of Health, National Science Foundation, Penn State, dan Chinese National Natural Science Foundation.