Los sensores impresos en el suelo podrían ayudar a los agricultores a mejorar el rendimiento de los cultivos y ahorrar dinero

Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado sensores de bajo costo que permiten un monitoreo continuo y en tiempo real del nitrato en los tipos de suelo que son comunes en Wisconsin. Estos sensores electroquímicos impresos podrían permitir a los agricultores tomar decisiones mejor informadas sobre el manejo de nutrientes y obtener beneficios económicos.

«Nuestros sensores podrían brindar a los agricultores una mayor comprensión del perfil de nutrientes de su suelo y de cuánto nitrato hay disponible para las plantas, ayudándoles a tomar decisiones más precisas sobre la cantidad de fertilizante que realmente necesitan», dice Joseph Andrews, profesor asistente de ingeniero mecánico en UW-Madison quien dirigió la investigación. «Si pudieran comprar menos fertilizantes, el ahorro de costes podría ser bastante significativo en las explotaciones agrícolas de gran superficie».

Si bien el nitrato es un nutriente esencial para los cultivos, el exceso de nitrato puede filtrarse del suelo al agua subterránea. Este tipo de contaminación es peligrosa para las personas que beben agua de pozo contaminada y es perjudicial para el medio ambiente. Los nuevos sensores de los investigadores también podrían usarse como herramienta de investigación agrícola para monitorear la lixiviación de nitrato y ayudar a guiar las mejores prácticas para mitigar sus efectos nocivos.

Los métodos actuales para monitorear el nitrato en el suelo son laboriosos, costosos y no proporcionan datos en tiempo real. Es por eso que Andrews, un experto en electrónica impresa, y su equipo se propusieron crear una solución mejor y menos costosa.

Para este proyecto, los investigadores utilizaron un proceso de impresión por inyección de tinta para fabricar sensores potenciométricos, un tipo de sensor electroquímico de película fina. Los sensores potenciométricos se utilizan habitualmente para medir con precisión el nitrato en soluciones líquidas. Sin embargo, estos sensores no suelen ser adecuados para su uso en entornos de suelo, donde las partículas gruesas del suelo los rayarán e interferirán en la obtención de mediciones precisas.

«El principal desafío que estábamos tratando de resolver es encontrar una manera de permitir que estos sensores electroquímicos funcionen bien en el duro ambiente del suelo y detecten con precisión los iones de nitrato», dice Andrews.

La solución del equipo fue colocar una capa sobre el sensor hecha de fluoruro de polivinilideno. Andrews dice que este material tiene dos características clave. En primer lugar, tiene poros muy pequeños, de unos 400 nanómetros de tamaño, que permiten el paso de los iones de nitrato mientras bloquean las partículas del suelo. En segundo lugar, es hidrófilo, lo que significa que atrae agua y actúa como una esponja para absorberla.

«Entonces, cualquier agua cargada de nitrato se empapa preferentemente en nuestro sensor, y esto es realmente importante porque el suelo también actúa como una esponja, y vas a tener una batalla perdida para conseguir que la humedad llegue a tu sensor a menos que puedas igualarla. el potencial de absorción de agua del suelo», dice Andrews. «Estas características de la capa de fluoruro de polivinilideno nos permiten extraer el agua cargada de nitrato, llevarla a la superficie de nuestro sensor y detectar el nitrato con precisión».

Los investigadores detallaron su avance en un artículo publicado en marzo de 2024 en la revista. Tecnologías de materiales avanzadas.

El equipo ha probado sus sensores en dos tipos de suelo diferentes que son relevantes para Wisconsin: suelo arenoso, que es común en la parte centro-norte del estado, y suelo franco limoso, que es común en el suroeste de Wisconsin, y descubrió que los sensores produjo resultados precisos.

Los investigadores están incorporando ahora sus sensores de nitrato a un sistema de detección multifuncional al que denominan «pegatina de detección», en el que se montan tres tipos diferentes de sensores sobre una superficie de plástico flexible con un adhesivo en la parte posterior. Estas pegatinas también contienen sensores de humedad y temperatura.

Los investigadores colocarán varias pegatinas de detección en una varilla, las colocarán a diferentes alturas y luego enterrarán la varilla en el suelo. Esta configuración les permite tomar medidas a múltiples profundidades en el suelo.

«Al medir el nitrato, la humedad y la temperatura a diferentes profundidades, ahora podemos cuantificar el proceso de lixiviación del nitrato y capturar cómo el nitrato se mueve a través del suelo, lo que antes no era posible», dice Andrews.

En el verano de 2024, los investigadores planean realizar más pruebas con sus sensores mediante el despliegue de 30 varillas detectoras en el suelo en la Estación de Investigación Agrícola Hancock de UW-Madison y la Estación de Investigación Agrícola de Arlington.

Los coautores del artículo de UW-Madison incluyen a Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai y Jingyi Huang, profesor de ciencias del suelo.