I sensori biodegradabili potrebbero potenziare i raccolti e ridurre i rifiuti elettronici / Biodegradable sensors could boost crops and reduce e-waste

I sensori biodegradabili potrebbero potenziare i raccolti e ridurre i rifiuti elettronici / Biodegradable sensors could boost crops and reduce e-waste

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I sensori possono essere reimpiantati nei campi per aiutare a coltivare le colture /  The sensors can be ploughed back into the fields to help nurture crops

I ricercatori sostengono che i sensori del terreno serigrafati e biodegradabili potrebbero aiutare gli agricoltori a migliorare le rese dei raccolti, riducendo al contempo i rifiuti elettronici.

Sviluppati dagli ingegneri dell'Università di Glasgow in collaborazione con i colleghi dell'Istituto di microelettronica e fotonica di Łukasiewicz (IMiF), i sensori sono realizzati con materiali elettronici che si degradano in nutrienti per le piante, fungendo da fertilizzante per favorire la crescita delle colture.

In una dichiarazione, il responsabile del progetto, il professor Jeff Kettle della James Watt School of Engineering di Glasgow, ha affermato: "Abbiamo urgente bisogno di trovare un modo per rendere l'agricoltura digitale più sostenibile negli anni a venire. Attualmente, circa l'80 percento dell'elettronica mondiale finisce direttamente in discarica una volta raggiunta la fine della sua vita utile, il che crea enormi sfide ambientali e di salute pubblica dovute ai materiali tossici che molti di essi contengono.

"Siamo ansiosi di continuare ad ampliare la capacità del nostro sensore biodegradabile di rilevare altri indicatori chiave della crescita delle piante e della salute del suolo. Ciò potrebbe includere l'aggiunta di sensibilità a 'sostanze chimiche eterne' come i PFA, che hanno un impatto ambientale significativo".

Migliorare la sostenibilità

I sensori front-end biodegradabili sono abbinati a componenti elettronici convenzionali per monitorare la salute delle colture. Il gruppo ha affermato che il loro approccio modulare migliora la riutilizzabilità dei sistemi elettronici esistenti e riduce significativamente i rifiuti elettronici.

La loro architettura elettronica modulare e ibrida è stata applicata all'agricoltura digitale, un approccio all'agricoltura che utilizza sensori in rete applicati direttamente alle colture per monitorarne l'ambiente e la crescita. Tuttavia, l'attuale generazione di sensori utilizzata nell'agricoltura digitale è realizzata con materiali non riciclabili.

In un articolo pubblicato su ACS Applied Electronic Materials, il gruppo ha descritto come ha realizzato un sensore agricolo digitale utilizzando materiali sostenibili, combinando una pezza biodegradabile con un modulo elettronico riutilizzabile delle dimensioni di una scatola di fiammiferi.

Le patch dei sensori vengono prodotte utilizzando un processo di stampa serigrafica, un metodo di produzione a basso costo ed a basso consumo energetico che potrebbe contribuire a consentire l'implementazione su larga scala necessaria per una più ampia adozione dell'agricoltura digitale a livello globale.

In questo lavoro, le tracce conduttive vengono stampate su un substrato polimerico biodegradabile utilizzando inchiostro al grafene-carbonio. Quindi, uno strato di rilevamento realizzato in bisolfuro di molibdeno viene stampato sulla parte superiore, in modo che tutti i materiali utilizzati si decompongano naturalmente in nutrienti vegetali.

I dati provenienti dai sensori, sensibili alle variazioni di pH e temperatura che possono essere causate da infezioni nelle colture, vengono raccolti dal modulo elettronico. I dati possono essere inviati in modalità wireless ai computer, il che potrebbe in futuro aiutare gli agricoltori a creare un quadro dettagliato della salute delle colture.

I test di laboratorio hanno dimostrato che i sensori possono monitorare in modo affidabile i livelli di pH del terreno, con prestazioni costanti dimostrate in soluzioni che vanno da pH 3 a pH 8 nel corso di due settimane. Il gruppo ha anche dimostrato che i sensori possono rilevare tracce di etefon, un regolatore della crescita delle piante ampiamente utilizzato che può essere tossico per gli esseri umani e la fauna selvatica se contamina le falde acquifere. Alla fine del loro ciclo di vita utile, i sensori si degradano in nutrienti primari e secondari chiave per supportare la futura crescita delle piante.

La ricerca è uno sviluppo del progetto TESLA (Transient Electronics for Sustainable ICT in DigitaL Agriculture) , un'iniziativa da 1,8 milioni di sterline finanziata da UKRI e CHIST-ERA, un consorzio di organizzazioni che finanziano la ricerca.

Questa ricerca è stata sostenuta con finanziamenti dell'Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e della São Paulo Research Foundation (FAPESP).

ENGLISH

Soil sensors that are screen-printed and biodegradable could help farmers to improve crop yields while reducing electronic waste, researchers claim.

Developed by engineers from Glasgow University in collaboration with colleagues from the Łukasiewicz Institute of Microelectronics and Photonic (IMiF), the senors are made from electronic materials which degrade into plant nutrients, acting as fertiliser to help crops grow.

In a statement, project lead Professor Jeff Kettle of Glasgow’s James Watt School of Engineering, said: “We urgently need to find a way to make digital agriculture more sustainable in the years to come. Currently, around 80 per cent of the world’s electronics head straight to landfill once they’ve reached the end of their useful life, which creates massive environmental and public health challenges from the toxic materials which many of them contain.

“We’re keen to continue expanding our biodegradable sensor’s ability to detect other key indicators of plant growth and soil health. That could include adding sensitivity to ‘forever chemicals’ like PFAs, which have significant environmental impact.”

Improving sustainability

The biodegradable front-end sensors are paired with conventional electronics to monitor crop health. The team said their modular approach enhances the reusability of the overall existing electronic systems and significantly reduces electronic waste.

Their modular, hybrid electronics architecture has been applied to ‘digital agriculture’, an approach to farming using networked sensors directly applied to crops to monitor their environment and their growth. However, the current generation of sensors used in digital agriculture are made from non-recyclable materials.

In a paper published in ACS Applied Electronic Materials, the team described how they made a digital agriculture sensor from sustainable materials, combining a biodegradable patch with a matchbook-sized reusable electronic module.

The sensor patches are manufactured using a screen printing process, a low-cost, low-energy method of manufacturing that could help enable the large-scale deployment necessary for the wider adoption of digital agriculture globally.

In this work, conductive tracks are printed onto a biodegradable polymer substrate using graphene-carbon ink. Then, a sensing layer made from molybdenum disulfide is printed on top – so all materials used naturally break down into plant nutrients.

Data from the sensors, which are sensitive to the changes in pH and temperature which can be caused by infections in crops, are collected by the electronic module. The data can be sent wirelessly to computers, which could in the future help farmers build up a detailed picture of crop health.

Lab tests showed the sensors can reliably monitor soil pH levels, with consistent performance demonstrated in solutions ranging from pH 3 to pH 8 over the course of two weeks. The team also demonstrated that that the sensors can detect traces of ethephon, a widely used plant growth regulator that can be toxic to humans and wildlife if it contaminates groundwater. At the end of their useful lifecycle, the sensors degrade into key primary and secondary nutrients to support future plant growth.

The research is a development in the TESLA (Transient Electronics for Sustainable ICT in DigitaL Agriculture) project, a £1.8m effort funded by UKRI and CHIST-ERA, a consortium of research funding organisations.

This research was supported with funding from the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), plus the São Paulo Research Foundation (FAPESP).

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/biodegradable-sensors-could-boost-crops-and-reduce-e-waste