En la superficie, parece una lanza de acero inoxidable, aproximadamente 6 pies de largo con un diámetro de un dólar de plata que termina en un punto de 30 grados.

Pero ese punto, el punto completo del penetrómetro acertadamente llamado, se trata de ahondar debajo de la superficie, donde puede hacer brillar un poco de luz visible e infrarroja cercana sobre las propiedades vitales para la agricultura y el medio ambiente del subsuelo que se encuentra debajo de la capa superficial del suelo.

Al caracterizar ese subsuelo sobre la marcha y en el campo, Los ingenieros de la Universidad de Nebraska-Lincoln, Yufeng Ge y Nuwan Wijewardane, creen que el prototipo podría surgir como una herramienta que ahorra tiempo y dinero y que informa la aplicación precisa de fertilizantes y riego. Y lo imaginan permitiendo que más agricultores participen en un floreciente Mercado amigable con el clima que incentiva a los agricultores a capturar carbono en sus suelos.

Ese potencial se deriva de un principio simple:todas las sustancias, incluyendo la materia orgánica y los minerales presentes en el suelo, Refleja la luz de manera diferente. Más al punto, cada sustancia refleja diferentes longitudes de onda de luz, incluidas las regiones visible e infrarroja cercana del espectro electromagnético.

Sabiendo que, Ge, Wijewardane y sus colegas integraron el prototipo con una luz halógena de amplio espectro que se filtra a través de una apertura de cuarzo. acurrucándolo debajo de un espejo parabólico y un cable de fibra óptica que recogen las longitudes de onda que rebotan.

Otro dispositivo conectado al penetrómetro, luego mide la intensidad de aproximadamente 2, 100 longitudes de onda diferentes en los espectros visible e infrarrojo cercano. Las intensidades de ciertas longitudes de onda en esa firma espectral se correlacionan con la presencia de ciertas sustancias y tipos de suelos. Materia orgánica rica en carbono y nitrógeno, por ejemplo, contribuye a suelos más oscuros que reflejan relativamente pocas longitudes de onda visibles. Suelos con menos materia orgánica o mucho hierro, por el contrario, a menudo reflejará amarillos o rojos.

Después de haber sido sumergido hidráulicamente varios pies en una parcela determinada de suelo, el prototipo puede tomar lecturas espectrales de cada sección transversal de 1 pulgada que reside entre la punta del prototipo y la superficie del suelo. El proceso de cinco a ocho minutos elimina la necesidad de cavar hoyos en el suelo o extraer núcleos de suelo, que tradicionalmente se envían al laboratorio para análisis costosos que pueden llevar semanas y aún así examinar muchas menos secciones transversales.

Ge dijo que el prototipo también representa una mejora con respecto a la mayoría de las tecnologías portátiles de detección de suelo. que normalmente toman lecturas de no más de 6 pulgadas de profundidad.

"Está bien, porque esa capa superficial es la más significativa, "dijo Ge, profesor asociado de ingeniería de sistemas biológicos. "Pero si miras algo como el sistema de producción de maíz, las raíces son profundas. Para algunas propiedades, como la absorción de agua o la absorción de nutrientes por un cultivo, el nivel de la superficie del suelo es solo una parte de la historia. Realmente desea considerar toda la zona raíz ".

El equipo, que incluye a Cristine Morgan del Soil Health Institute, Jason Ackerson de Purdue University y Sarah Hetrick de Texas A&M University, no estaba satisfecho con estimar solo la composición del subsuelo. Los investigadores querían que su prototipo midiera qué tan compactado está el suelo, también, como un medio de discernir qué tan bien ese suelo podría retener el agua y compartirla con los cultivos. Así que incluyeron una celda de carga de medición de fuerza cerca de la punta del prototipo, junto con un sensor ultrasónico que mide la profundidad del prototipo, para estimar la densidad del suelo.

"La textura realmente determina la capacidad de retención de agua, "Ge dijo." Si tienes un suelo demasiado arenoso, simplemente se mueve a través de la zona de la raíz muy rápidamente. Pero si tienes un suelo demasiado arcilloso, va a retener el agua con mucha fuerza, y las raíces no pueden extraerlo por completo ".

Con el prototipo construido, los investigadores buscaron comparar sus firmas espectrales con una biblioteca de aproximadamente 20, 000 firmas que el Departamento de Agricultura de EE. UU. Recogió de muestras de suelo en todo el país. Debido a que el USDA también informó las concentraciones reales de carbono y ciertos minerales en esas muestras, comparar las nuevas firmas con las del USDA permitiría al equipo calibrar mejor el modelo que estaba usando para estimar las concentraciones en sus propias muestras.

Había, naturalmente, solo un problema. El USDA había recogido sus firmas espectrales después de secar sus muestras de suelo en el laboratorio, lo que significa que no contenían nada de la humedad que contienen prácticamente todas las muestras de campo. Y dado que el agua interactúa con la luz, el secado del laboratorio alteró seriamente esas firmas.

Afortunadamente, un algoritmo existente ayudó a los investigadores a minimizar el ruido estadístico generado por el agua, transformando sus firmas espectrales en una forma que se aproximara más a las del USDA. Para probar sus correcciones, el equipo tomó lecturas de 11 campos en total en Nebraska, Illinois, Iowa y Dakota del Sur. Como se esperaba, el equipo descubrió que las estimaciones del prototipo de los niveles de carbono y nitrógeno se acercaron más a los niveles reales después de aplicar el algoritmo que antes.

Luz de guía

Si bien admitió que la precisión del prototipo podría mejorar, y que él espera que lo haga, Ge dijo que incluso la versión actual podría ayudar a los agricultores que buscan usar el riego y los fertilizantes de manera más estratégica.

La mayoría de las formas de agricultura de precisión, Ge dijo, implica dividir un campo en una cuadrícula y tomar muestras del suelo de un cierto número de sus celdas. El gasto relativo de las mediciones de laboratorio podría limitar ese número, él dijo, haciendo de las estimaciones de campo de la composición del subsuelo una alternativa atractiva en una finca hipotética de 160 acres.

"Supongamos que tiene los recursos para salir y recopilar cinco mediciones muy precisas, "Ge dijo." Toma el promedio, y obtienes la desviación estándar, y usted piensa, 'Bien, esa es la media y la varianza para la muestra de suelos en ese campo '.

"No estaría de acuerdo con ese tipo de mentalidad, porque yo diría (que) cinco no es suficiente. No importa qué tan cuidadosamente coloques esas cinco ubicaciones, no vas a capturar la vista completa del campo. Mi argumento sería:realmente tienes que hacer esto muchas veces. Aunque sus mediciones pueden no ser tan precisas como una medición de laboratorio, aún puede obtener una estimación realmente buena y potencialmente ser más útil que el primer escenario ".

Ge expresó el mismo entusiasmo por una aplicación menos obvia pero prometedora del prototipo, el secuestro de carbono, que en última instancia podría ayudar a los agricultores a diversificar sus fuentes de ingresos y, al mismo tiempo, abordar la principal causa del calentamiento global. Los suelos del mundo almacenan más de tres veces la cantidad de carbono que reside actualmente en la atmósfera, incluso cuando el dióxido de carbono atmosférico ha alcanzado niveles nunca vistos en los últimos 3 millones de años.

En 2019, una startup de tecnología agrícola llamada Indigo Agriculture lanzó una iniciativa que ofrece dinero a los agricultores que participan en prácticas:plantar cultivos de cobertura, cultivos rotativos, Limitación de la labranza:que estimulan a los suelos a capturar y almacenar el carbono sobrante cuando las raíces y las hojas de los cultivos comienzan a descomponerse.

"Eso es un ingreso adicional para la economía agrícola, "Ge dijo." No creo que hayamos resuelto todo todavía, porque tienes que verificar que realmente has secuestrado ese carbono en la granja. Y es por eso que la medición se vuelve realmente importante ".

Aunque el equipo primero necesitaría aumentar la precisión de las estimaciones de carbono de su prototipo, Ge dijo que ve el diseño como una forma rentable de ayudar a los agricultores a verificar el éxito de esos esfuerzos de secuestro.

"Realmente creo que esta tecnología puede afianzarse en ese mercado de carbono, "dijo Ge, quien citó un interés inicial de General Mills. "Hemos estado hablando de esto durante mucho tiempo. Espero que, en unos años, this can expand to a much larger scale—to the point of providing additional income for a farm—and people can realize the importance of being able to manage soil in a way that it can store this carbon."

Mientras tanto, Ge and Wijewardane are examining whether it's possible to shrink the diameter of their prototype, which could make it more feasible for users to ditch the hydraulics and manually plunge the penetrometer into subsoils.

At its current diameter, embedding the prototype into harder soils can require 300 to 400 pounds of force, Ge said. But in much the same way that focusing light to a smaller point increases its intensity, reducing the contact area between two surfaces will increase pressure even when the same force is applied.

"Further reducing that diameter means having an even smaller space to work with (for the instrumentation), " Ge said. "So we are facing a lot of engineering challenges, for sure. But challenges are what we, as engineers, live to address."