Une fertilisation équilibrée gr?ce à des capteurs de terrain
Le professeur Máté Bezdek et son équipe sont des experts en matière de capteurs chimiques. Leur objectif : développer des capteurs pour l'agriculture qui permettent une fertilisation précise des champs, évitent la surfertilisation et contribuent ainsi à réduire les émissions causées par l'agriculture.
Nous nous sommes entretenus avec le Prof. Máté Bezdek, intervenant au Journée industrielle de l'ETH 2023.
Votre objectif est de développer des capteurs qui pourraient être utilisés dans l'agriculture, dans les champs. Pourquoi serait-il important d'avoir de tels capteurs ? Dans quel but pourrait-on les utiliser ?
Máté Bezdek : Si nous disposions de tels capteurs, l'équilibre nutritif du sol pourrait être mesuré avec précision et de manière simple. Cela aiderait les agriculteurs à décider de la quantité d'engrais à utiliser. La surfertilisation et son énorme impact sur l'environnement pourraient être évités.
Pourquoi les engrais sont-ils potentiellement nocifs pour l'environnement ?
L'engrais ou l'ammoniac se trouve dans le sol sous forme d'ammonium. Soit les plantes absorbent l'ammonium, soit les microbes du sol le transforment en nitrate, qui peut être lessivé et atteindre les eaux souterraines. Les microbes du sol peuvent également transformer le nitrate en gaz à effet de serre puissants tels que le protoxyde d'azote, également connu sous le nom de protoxyde d'azote. Si l'on utilise trop d'engrais, des quantités considérables de nitrates et de protoxyde d'azote se retrouvent donc dans l'environnement. C'est un problème majeur, car le protoxyde d'azote a un potentiel de réchauffement global presque 300 fois supérieur à celui du CO2. Bien qu'il soit libéré dans le cadre du cycle naturel global de l'azote, une grande partie des émissions de protoxyde d'azote est due aux pratiques agricoles. Et cette part est en augmentation et contribue considérablement au changement climatique. Il serait donc bon de disposer de capteurs pour mesurer le protoxyde d'azote dans l'air et/ou le nitrate dans le sol afin d'optimiser l'utilisation d'engrais et de réduire l'impact environnemental de l'agriculture.
Quelles sont les limites des capteurs existants ?
Actuellement, ce sont surtout des capteurs optiques qui sont disponibles pour une utilisation en agriculture. Il s'agit souvent d'instruments de grande taille, assez gourmands en énergie et co?teux, qui ne sont pas idéaux pour une utilisation sur le terrain. Comme alternative, il existe des méthodes d'analyse du sol en laboratoire, mais cela signifie qu'il faut prélever des échantillons de sol et les amener au laboratoire - un processus assez lent. Ou alors, on peut utiliser des images satellites pour surveiller l'agriculture, ce qui est également complexe, long et co?teux. De nouvelles méthodes de détection des gaz agricoles sont donc nécessaires.
Comment travaillez-vous avec les utilisateurs potentiels ?
Les principaux utilisateurs potentiels sont les agriculteurs, petits et grands, et les organisations qui y sont liées. Dès que nous disposerons de prototypes, nous pourrions tester leur fiabilité sur le terrain en collaboration avec ces utilisateurs. ? cet égard, le World Food System Center de l'ETH Zurich nous a beaucoup aidés à entrer en contact avec des utilisateurs potentiels et des partenaires de coopération.
Quels autres secteurs pourraient bénéficier d'une collaboration avec vous pour poursuivre le développement de ces capteurs ?
Une fois qu'ils existeront, ces capteurs pourraient également être utilisés dans les usines, par exemple pour détecter les fuites de gaz, et même dans la surveillance de la santé, par exemple pour les appareils de mesure de la respiration. En effet, le protoxyde d'azote est également un sous-produit de certains processus industriels, et la molécule de gaz apparentée, le monoxyde d'azote, est un biomarqueur qui peut être utilisé pour diagnostiquer des maladies telles que l'inflammation des voies respiratoires.
Quelles sont les caractéristiques nécessaires à ce type de capteurs ?
La fiabilité est très importante pour que les capteurs fournissent des performances constantes au fil du temps. Pour une utilisation facile sur le terrain, ils doivent être compacts, avoir un faible besoin en énergie et ne pas être trop chers. Et, plus important encore, les capteurs doivent être sélectifs. Cela signifie qu'ils doivent être capables de détecter les molécules cibles souhaitées dans des mélanges très complexes avec de nombreux autres types de molécules.
Trouver des capteurs qui soient sélectifs pour les molécules d'intérêt agricole dans le sol et dans l'air, c'est la question à un million de dollars.
Cela semble difficile. Mais je suppose que vous avez des idées sur la manière de parvenir à un capteur petit, bon marché, efficace et fiable ?
Pour les appareils, nous travaillons avec des nanomatériaux de carbone comme plateforme et nous pla?ons un matériau de détection dessus, que nous concevons de manière à ce qu'il soit sélectif. Plus précisément, nous modifions chimiquement la surface des nanomatériaux pour créer de nouveaux matériaux composites. La réaction chimique du matériau composite avec les substances que nous voulons détecter modifie la conductivité électrique du système. C'est cette modification du courant électrique que nous mesurons. De cette manière, nous convertissons directement un événement chimique en informations numériques.
Le choix du carbone comme base contribue à ce que les capteurs soient compacts, peu co?teux et peu gourmands en énergie. Ce qui est important pour la détection du protoxyde d'azote dans l'air ou du nitrate dans le sol, c'est le matériau qui forme un composite avec les nanomatériaux de carbone. C'est pourquoi nous modifions les couches sur le carbone en synthétisant une série de composés avec différentes teneurs en vanadium ou en un autre métal de transition. Ensuite, nous expérimentons pour voir si ces composés réagissent avec - et seulement avec - l'oxyde nitreux ou le nitrate.
Nous testons également les autres caractéristiques des capteurs, comme la fiabilité et l'efficacité, mais nous nous concentrons sur la recherche d'une réaction chimique sélective que nous pouvons traduire en une réaction sensorielle, car nous sommes des experts en la matière. C'est ce que les chimistes font le mieux (rires).
Contact/Liens :
Prof. Máté Bezdek, Chimie de coordination fonctionnelle, ETH Zurich
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