Mikor érdemes nitrogénműtrágyát kijuttatni? Hogyan reagál a növény a tápanyag-utánpótlásra, illetve más termesztéstechnológiai beavatkozásokra? Ezekre a kérdésekre jelenleg többnyire általános ajánlásokkal lehet válaszolni. A folyamatosan működő, a növények növekedését közvetlenül mérő érzékelők azonban lehetővé tehetik, hogy a szakemberek pontosabb, az adott növényállomány sajátosságaihoz igazodó következtetéseket vonjanak le – írja a Phys.org.
Ezen dolgoznak a Dél-Dakotai Állami Egyetem kutatói is. Mazhar Sher bioszenzor-fejlesztő mérnök, az egyetem mezőgazdasági és bioszisztéma-mérnöki tanszékének adjunktusa 2022 augusztusában kezdte meg a lézerindukált grafénalapú érzékelők fejlesztését, amikor csatlakozott az intézményhez. Sher és mesterszakos hallgatója, Chamika Kuruppuarachchi már elvégezték az első teszteket az egyetem Raven Precision Agriculture Center nevű precíziós mezőgazdasági kutatóközpontjának bioszenzor-laboratóriumában, a kukoricán végzett megfigyeléseket pedig az egyetem üvegházában futtatták le.
Különleges anyagból készülnek az érzékelők
A grafént a grafitból állítják elő. A lézerindukált grafén számos olyan tulajdonsággal rendelkezik, amelyek különösen alkalmassá teszik érzékelők készítésére: jó elektromos vezetőképességű, nagy fajlagos felülettel rendelkezik, rugalmas, porózus szerkezetű, és rendkívül érzékenyen reagál a fizikai változásokra. Hasonló technológiát már az emberi egészség megfigyelésére szolgáló eszközökben, például okosórákban és aktivitásmérőkben.
A mostani munkáig nem álltak rendelkezésre olyan érzékelők, amelyekkel folyamatosan, ilyen részletességgel nyomon lehetett volna követni a kukoricaszár és a cső növekedési dinamikáját.
A technológia egyik legfontosabb eleme az érzékelő rögzítése. A grafénalapú szenzort egy élelmiszeripari felhasználásra alkalmas szilikonpántra erősítik, amely a növény növekedésével együtt képes tágulni. Az elektromos érintkezésnek akkor is működnie kell, amikor a grafénréteg meghajlik. Ezt úgy oldották meg, hogy a szilikonpántba speciális rugós mechanizmust is beépítettek, amely lehetővé teszi a szalag tágulását. Ily módon egyáltalán nem akadályozza a kukoricaszár vagy a cső fejlődését.
A mérések eredményeit egy apró, eltávolítható microSD-kártyán tárolják. Az elektronikai egységet úgy tervezték, hogy akkumulátorról is működjön, így hosszabb időn keresztül, folyamatosan képes biztosítani az energiaellátást a szabadföldön is.
Nem a gazdálkodóknak szánják a szenzorokat
Bár a lézerindukált grafén előállításához használt poliimid műanyag lapok ára darabonként kevesebb mint egy dollár, a fejlesztők nem számítanak arra, hogy a gazdálkodók közvetlenül a kukoricaszárakra szerelik majd fel az érzékelőket.
Fotó: MMG/Csatlós Norbert
Az eredmények alapján a szakemberek később a gazdálkodóknak is célzottabb ajánlásokat adhatnak. Így például pontosabban meghatározható lehet, hogy egy adott növényállomány mikor és milyen mértékű nitrogénutánpótlásra reagál kedvezően. A kutató a technológia szabadalmaztatását is tervezi. A következő lépés a szabadföldi kísérletek elindítása az egyetem kutatóparcelláin, valamint a további fejlesztésekhez szükséges finanszírozás megszerzése.
A fejlesztés hosszabb távon hozzájárulhat ahhoz, hogy a mezőgazdasági döntések ne csupán általános termesztési ajánlásokon, hanem a növények tényleges, folyamatosan megfigyelt reakcióin alapuljanak.
