Fertilizzazione equilibrata grazie ai sensori di campo
Il Prof. Máté Bezdek e il suo team sono esperti di tecnologia dei sensori chimici. Il loro obiettivo: sviluppare sensori per l'agricoltura che consentano una fertilizzazione precisa dei campi, evitando la sovraconcimazione e contribuendo così a ridurre le emissioni causate dall'agricoltura.
Abbiamo parlato con il Prof. Máté Bezdek, relatore presso il L'ETH Industry Day 2023.
Il vostro obiettivo è sviluppare sensori che possano essere utilizzati in agricoltura, sul campo. Perché sarebbe importante avere questi sensori? Per cosa potrebbero essere utilizzati?
Máté Bezdek: Se disponessimo di tali sensori, il bilancio dei nutrienti del suolo potrebbe essere misurato con precisione e facilità. Questo aiuterebbe gli agricoltori a decidere la quantità di fertilizzante da utilizzare. Si potrebbe evitare l'eccesso di fertilizzazione e il suo enorme impatto sull'ambiente.
Perché la fertilizzazione è potenzialmente dannosa per l'ambiente?
Il fertilizzante o ammoniaca è presente nel terreno sotto forma di ammonio. Le piante assorbono l'ammonio o i microbi del suolo lo trasformano in nitrato, che può essere lisciviato ed entrare nelle acque sotterranee. I microbi del suolo possono inoltre convertire i nitrati in potenti gas serra come il protossido di azoto, noto anche come gas esilarante. Quindi, se si applica una quantità eccessiva di fertilizzanti, vengono rilasciate nell'ambiente quantità significative di nitrati e protossido di azoto. Questo è un problema importante perché il protossido di azoto ha un potenziale di riscaldamento globale quasi 300 volte superiore a quello della CO2. Sebbene venga rilasciato come parte del ciclo naturale dell'azoto a livello globale, gran parte delle emissioni di protossido di azoto sono causate dalle pratiche agricole. Questa percentuale è in aumento e contribuisce in modo significativo al cambiamento climatico. Pertanto, sarebbe opportuno disporre di sensori per misurare il protossido di azoto nell'aria e/o il nitrato nel suolo, al fine di ottimizzare l'uso dei fertilizzanti e ridurre l'impatto ambientale dell'agricoltura.
Quali sono i limiti dei sensori esistenti?
Attualmente, per l'agricoltura sono disponibili soprattutto sensori ottici. Si tratta spesso di strumenti di grandi dimensioni, piuttosto dispendiosi in termini di energia e costosi, che non sono ideali per l'uso sul campo. In alternativa, esistono metodi di analisi del suolo basati sul laboratorio, ma ciò significa che è necessario prelevare campioni di suolo e portarli in laboratorio, un processo piuttosto lento. Oppure si possono utilizzare le immagini satellitari per monitorare l'agricoltura, un'operazione complessa, lunga e costosa. Sono quindi necessari nuovi metodi per rilevare i gas agricoli.
Come lavorate con i potenziali utenti?
I principali utenti potenziali sono gli agricoltori, sia piccoli che grandi, e le organizzazioni collegate. Una volta decisi i prototipi, potremmo testarne l'affidabilità sul campo in collaborazione con questi utenti. A questo proposito, il World Food System Centre dell'ETH di Zurigo ci ha aiutato molto a stabilire contatti con potenziali utenti e partner di cooperazione.
Quali altri settori potrebbero trarre vantaggio dalla collaborazione con voi per l'ulteriore sviluppo di questi sensori?
Una volta disponibili, i sensori potrebbero essere utilizzati anche nelle fabbriche, ad esempio per rilevare le fughe di gas, e persino nel monitoraggio della salute, ad esempio per i monitoraggi respiratori. Il protossido di azoto, infatti, è un sottoprodotto di alcuni processi industriali e la molecola gassosa correlata, l'ossido nitrico, è un biomarcatore che può essere utilizzato per diagnosticare malattie come le infiammazioni respiratorie.
Di quali proprietà hanno bisogno questi tipi di sensori?
L'affidabilità è molto importante per garantire che i sensori funzionino in modo costante nel tempo. Per facilitare l'uso sul campo, i sensori devono essere compatti, avere un fabbisogno energetico ridotto e non essere troppo costosi. E, soprattutto, i sensori devono essere selettivi. Ciò significa che devono essere in grado di riconoscere le molecole target desiderate in miscele molto complesse con molti altri tipi di molecole.
Trovare sensori selettivi per le molecole rilevanti per l'agricoltura nel suolo e nell'aria è la domanda da un milione di dollari.
Sembra difficile. Ma suppongo che abbiate delle idee su come realizzare un sensore piccolo, economico, efficiente e affidabile?
Per i dispositivi, lavoriamo con nanomateriali di carbonio come piattaforma e vi collochiamo un materiale per sensori, che progettiamo in modo che sia selettivo. In particolare, modifichiamo chimicamente la superficie dei nanomateriali per creare nuovi compositi. La reazione chimica del composito con le sostanze che vogliamo rilevare modifica la conduttività elettrica del sistema. Questa variazione della corrente elettrica è ciò che misuriamo. In questo modo, convertiamo un evento chimico direttamente in informazioni digitali.
La scelta del carbonio come base significa che i sensori sono compatti, poco costosi e richiedono poca energia. Il materiale che forma un legame con i nanomateriali di carbonio è importante per rilevare il protossido di azoto nell'aria o il nitrato nel suolo. Per questo motivo cambiamo gli strati sul carbonio sintetizzando una serie di composti con diversi contenuti di vanadio o di un altro metallo di transizione. Poi sperimentiamo se questi composti reagiscono con - e solo con - il protossido di azoto o il nitrato.
Testiamo anche le altre proprietà dei sensori, come l'affidabilità e l'efficienza, ma ci concentriamo sulla ricerca di una reazione chimica selettiva che possiamo trasformare in una reazione sensoriale, perché è in questo che siamo esperti. ? quello che i chimici sanno fare meglio (ride).
Contatti/Link:
Prof Máté Bezdek, Chimica di coordinazione funzionale, ETH di Zurigo
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