मैडिसन: विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने कम लागत वाले मृदा सेंसर विकसित किए हैं।

मृदा विज्ञान में डॉक्टरेट के छात्र शुओहाओ कै, विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के हैनकॉक कृषि अनुसंधान केंद्र में मिट्टी में विभिन्न गहराईयों पर माप लेने की अनुमति देने वाले बहुक्रियाशील सेंसर स्टिकर के साथ एक सेंसर रॉड लगाते हैं।
मैडिसन — विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने कम लागत वाले सेंसर विकसित किए हैं जो विस्कॉन्सिन की आम मिट्टी में नाइट्रेट की निरंतर, वास्तविक समय की निगरानी कर सकते हैं। ये मुद्रित इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर किसानों को पोषक तत्व प्रबंधन के बारे में अधिक जानकारीपूर्ण निर्णय लेने और आर्थिक लाभ प्राप्त करने में मदद कर सकते हैं।
हार्वर्ड विश्वविद्यालय के सहायक प्रोफेसर जोसेफ एंड्रयूज ने कहा, "हमारे सेंसर किसानों को उनकी मिट्टी की पोषण स्थिति और उनके पौधों के लिए उपलब्ध नाइट्रेट की मात्रा की बेहतर समझ प्रदान कर सकते हैं, जिससे उन्हें यह तय करने में मदद मिलेगी कि उन्हें वास्तव में कितनी खाद की आवश्यकता है।" यह अध्ययन विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के मैकेनिकल इंजीनियरिंग स्कूल के नेतृत्व में किया गया था। "यदि वे खरीदी जाने वाली खाद की मात्रा कम कर सकते हैं, तो बड़े खेतों के लिए लागत में काफी बचत हो सकती है।"
नाइट्रेट फसलों की वृद्धि के लिए एक आवश्यक पोषक तत्व है, लेकिन मिट्टी से अतिरिक्त नाइट्रेट रिसकर भूजल में प्रवेश कर सकता है। इस प्रकार का प्रदूषण दूषित कुएं का पानी पीने वाले लोगों के लिए हानिकारक है और पर्यावरण के लिए भी नुकसानदायक है। शोधकर्ताओं द्वारा विकसित नए सेंसर का उपयोग कृषि अनुसंधान उपकरण के रूप में नाइट्रेट रिसाव की निगरानी करने और इसके हानिकारक प्रभावों को कम करने के लिए सर्वोत्तम उपाय विकसित करने में भी किया जा सकता है।
मिट्टी में नाइट्रेट की निगरानी के मौजूदा तरीके श्रमसाध्य, महंगे हैं और वास्तविक समय का डेटा प्रदान नहीं करते हैं। इसीलिए प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स विशेषज्ञ एंड्रयूज और उनकी टीम ने एक बेहतर, कम खर्चीला समाधान बनाने का बीड़ा उठाया।
इस परियोजना में, शोधकर्ताओं ने एक पोटेंशियोमेट्रिक सेंसर बनाने के लिए इंकजेट प्रिंटिंग प्रक्रिया का उपयोग किया, जो एक प्रकार का पतली-फिल्म वाला विद्युत रासायनिक सेंसर है। पोटेंशियोमेट्रिक सेंसर का उपयोग अक्सर तरल विलयनों में नाइट्रेट की सटीक मात्रा मापने के लिए किया जाता है। हालांकि, ये सेंसर आमतौर पर मिट्टी वाले वातावरण में उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं क्योंकि मिट्टी के बड़े कण सेंसर को खरोंच सकते हैं और सटीक माप में बाधा डाल सकते हैं।
"जिस मुख्य चुनौती को हम हल करने की कोशिश कर रहे थे, वह यह पता लगाना था कि इन इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर को कठोर मिट्टी की स्थितियों में ठीक से काम करने और नाइट्रेट आयनों का सटीक पता लगाने का तरीका क्या है," एंड्रयूज ने कहा।
टीम ने सेंसर पर पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड की एक परत चढ़ाकर इस समस्या का समाधान निकाला। एंड्रयूज के अनुसार, इस सामग्री में दो प्रमुख विशेषताएं हैं। पहली, इसमें लगभग 400 नैनोमीटर आकार के बहुत छोटे छिद्र होते हैं, जो नाइट्रेट आयनों को गुजरने देते हैं जबकि मिट्टी के कणों को रोकते हैं। दूसरी, यह जल-प्रेमी है, यानी यह पानी को आकर्षित करती है और स्पंज की तरह उसे सोख लेती है।
“इसलिए नाइट्रेट युक्त पानी हमारे सेंसरों में प्राथमिकता से रिस जाएगा, जो वास्तव में महत्वपूर्ण है क्योंकि मिट्टी भी स्पंज की तरह होती है और यदि आप समान जल अवशोषण क्षमता प्राप्त नहीं कर पाते हैं तो सेंसर में नमी पहुंचाने के मामले में आप असफल हो जाएंगे। मिट्टी की यही क्षमता है,” एंड्रयूज ने कहा। “पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड परत के ये गुण हमें नाइट्रेट युक्त पानी निकालने, उसे सेंसर की सतह तक पहुंचाने और नाइट्रेट का सटीक पता लगाने में सक्षम बनाते हैं।”
शोधकर्ताओं ने मार्च 2024 में एडवांस्ड मैटेरियल्स टेक्नोलॉजी नामक पत्रिका में प्रकाशित एक शोध पत्र में अपनी प्रगति का विस्तृत विवरण दिया।
टीम ने विस्कॉन्सिन से जुड़ी दो अलग-अलग प्रकार की मिट्टी पर अपने सेंसर का परीक्षण किया - राज्य के उत्तर-मध्य भागों में आम रेतीली मिट्टी और दक्षिण-पश्चिमी विस्कॉन्सिन में आम गाद वाली दोमट मिट्टी - और पाया कि सेंसर ने सटीक परिणाम दिए।
शोधकर्ता अब अपने नाइट्रेट सेंसर को एक बहुक्रियाशील सेंसर प्रणाली में एकीकृत कर रहे हैं जिसे वे "सेंसर स्टिकर" कहते हैं। इस प्रणाली में तीन अलग-अलग प्रकार के सेंसर एक लचीली प्लास्टिक सतह पर चिपकने वाली सामग्री की मदद से लगाए गए हैं। इन स्टिकरों में आर्द्रता और तापमान सेंसर भी शामिल हैं।
शोधकर्ता एक खंभे पर कई संवेदी स्टिकर लगाएंगे, उन्हें अलग-अलग ऊंचाइयों पर रखेंगे और फिर खंभे को मिट्टी में दबा देंगे। इस व्यवस्था से उन्हें मिट्टी की अलग-अलग गहराई पर माप लेने में मदद मिली।
"विभिन्न गहराइयों पर नाइट्रेट, नमी और तापमान को मापकर, अब हम नाइट्रेट लीचिंग प्रक्रिया की मात्रा निर्धारित कर सकते हैं और यह समझ सकते हैं कि नाइट्रेट मिट्टी के माध्यम से कैसे चलता है, जो पहले संभव नहीं था," एंड्रयूज ने कहा।
2024 की गर्मियों में, शोधकर्ताओं ने सेंसर का आगे परीक्षण करने के लिए विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के हैनकॉक कृषि अनुसंधान केंद्र और अर्लिंग्टन कृषि अनुसंधान केंद्र में मिट्टी में 30 सेंसर रॉड लगाने की योजना बनाई है।