Na superfície, se assemelha a uma lança de aço inoxidável, cerca de 6 pés de comprimento com um diâmetro de um dólar de prata que termina em uma ponta de 30 graus.

Mas esse ponto - o ponto inteiro do penetrômetro apropriadamente denominado - é sobre mergulhar abaixo da superfície, onde pode brilhar alguma luz visível e quase infravermelha sobre as propriedades vitais para a agricultura e o meio ambiente do subsolo sob a camada superficial do solo.

Ao caracterizar esse subsolo na hora e no campo, Os engenheiros da Universidade de Nebraska-Lincoln, Yufeng Ge e Nuwan Wijewardane, acreditam que o protótipo pode surgir como uma ferramenta de economia de tempo e custo que informa a irrigação precisa e a aplicação de fertilizantes. E eles imaginam que isso permitirá que mais agricultores participem de um florescimento, mercado amigo do clima que incentiva os agricultores a capturar carbono em seus solos.

Esse potencial decorre de um princípio simples:todas as substâncias, incluindo a matéria orgânica e minerais presentes no solo, refletem a luz de maneira diferente. Mais ao ponto, cada substância reflete diferentes comprimentos de onda de luz, incluindo as regiões visível e infravermelho próximo do espectro eletromagnético.

Sabendo que, Ge, Wijewardane e seus colegas incorporaram o protótipo com uma luz halógena de amplo espectro que flui através de uma abertura de quartzo, aninhando-o abaixo de um espelho parabólico e cabo de fibra óptica que coleta quaisquer comprimentos de onda que retornam.

Outro dispositivo, conectado ao penetrômetro, então mede a intensidade de cerca de 2, 100 comprimentos de onda diferentes através do espectro visível e infravermelho próximo. As intensidades de certos comprimentos de onda nessa assinatura espectral se correlacionam com a presença de certas substâncias e tipos de solos. Matéria orgânica rica em carbono e nitrogênio, por exemplo, contribui para solos mais escuros que refletem relativamente poucos comprimentos de onda visíveis. Solos com menos matéria orgânica ou muito ferro, por contraste, frequentemente refletirá amarelos ou vermelhos.

Depois de ser mergulhado hidraulicamente vários metros em um determinado pedaço de solo, o protótipo pode fazer leituras espectrais de cada seção transversal de 1 polegada que reside entre a ponta do protótipo e a superfície do solo. O processo de cinco a oito minutos elimina a necessidade de cavar poços de solo ou extrair núcleos de solo, que são tradicionalmente enviados ao laboratório para análises caras que podem levar semanas, mas ainda examinam muito menos seções transversais.

Ge disse que o protótipo também representa uma melhoria em relação à maioria das tecnologias portáteis de detecção de solo, que normalmente fazem leituras de até 6 polegadas de profundidade.

"Isso está ok, porque esse solo é o mais significativo, "disse Ge, professor associado de engenharia de sistemas biológicos. “Mas se você olhar para algo como o sistema de produção de milho, as raízes são profundas. Para algumas propriedades, como absorção de água ou absorção de nutrientes por uma cultura, o nível da superfície do solo é apenas parte da história. Você realmente deseja considerar toda a zona raiz. "

O time, que inclui Cristine Morgan do Soil Health Institute, Jason Ackerson da Purdue University e Sarah Hetrick da Texas A&M University, não se contentou em estimar apenas a composição do subsolo. Os pesquisadores queriam que seu protótipo medisse o quão compactado está o solo, também, como um meio de discernir quão bem aquele solo pode reter água e compartilhá-la com as plantações. Então, eles incluíram uma célula de carga de medição de força perto da ponta do protótipo, junto com um sensor ultrassônico que mede a profundidade do protótipo, para estimar a densidade do solo.

"A textura realmente determina a capacidade de retenção de água, "Ge disse." Se você tem muito solo arenoso, ele apenas se move pela zona raiz muito rapidamente. Mas se você tiver um solo muito argiloso, vai segurar a água com muita força, e as raízes não conseguem extraí-lo totalmente. "

Com o protótipo construído, os pesquisadores procuraram comparar suas assinaturas espectrais com uma biblioteca de cerca de 20, 000 assinaturas que o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos coletou de amostras de solo em todo o país. Como o USDA também relatou as concentrações reais de carbono e certos minerais nessas amostras, comparar as novas assinaturas com as do USDA permitiria à equipe calibrar melhor o modelo que estava usando para estimar as concentrações em suas próprias amostras.

Houve, naturalmente, apenas um problema. O USDA coletou suas assinaturas espectrais depois de secar suas amostras de solo em laboratório, o que significa que eles não continham nenhuma umidade que virtualmente todas as amostras de campo contêm. E dado que a água interage com a luz, a secagem em laboratório alterou seriamente essas assinaturas.

Felizmente, um algoritmo existente ajudou os pesquisadores a minimizar o ruído estatístico gerado pela água, transformando suas assinaturas espectrais em uma forma que mais se aproximasse do USDA. Para testar suas correções, a equipe fez leituras de 11 campos totais em Nebraska, Illinois, Iowa e South Dakota. Como esperado, a equipe descobriu que as estimativas dos níveis de carbono e nitrogênio do protótipo ficaram mais próximas dos níveis reais após a aplicação do algoritmo do que antes.

Luz guia

Embora admita que a precisão do protótipo pode melhorar - e ele espera que isso aconteça - Ge disse que mesmo a versão atual pode ajudar os agricultores que procuram usar irrigação e fertilizantes de forma mais estratégica.

A maioria das formas de agricultura de precisão, Ge disse, envolvem dividir um campo em uma grade e amostrar o solo de um certo número de suas células. A despesa relativa de medições baseadas em laboratório pode limitar esse número, ele disse, fazer estimativas no campo da composição do subsolo uma alternativa atraente em uma fazenda hipotética de 160 acres.

"Digamos que você tenha os recursos para sair e coletar cinco medições muito precisas, "Ge disse." Você pega a média, e você obtém o desvio padrão, e você pensa, 'Nós vamos, essa é a média e a variância para a amostra de solos naquele campo. '

"Eu discordaria desse tipo de mentalidade, porque eu diria que (que) cinco não é suficiente. Não importa o quão cuidadosamente você posicione esses cinco locais, você não vai capturar toda a visão do campo. Meu argumento seria:você realmente tem que fazer isso muitas vezes. Mesmo que suas medições possam não ser tão precisas quanto uma medição baseada em laboratório, você ainda pode obter uma estimativa realmente boa e potencialmente ser mais útil do que o primeiro cenário. "

Ge expressou o mesmo entusiasmo por uma aplicação menos óbvia, mas promissora, do protótipo - sequestro de carbono - que poderia, em última instância, ajudar os agricultores a diversificar seus fluxos de receita, ao mesmo tempo em que aborda a principal causa do aquecimento global. Os solos do mundo armazenam mais de três vezes a quantidade de carbono que atualmente reside na atmosfera, mesmo quando o dióxido de carbono atmosférico atingiu níveis nunca vistos nos últimos 3 milhões de anos.

Em 2019, uma startup de tecnologia agrícola chamada Indigo Agriculture lançou uma iniciativa que oferece dinheiro aos agricultores que se engajam em práticas - plantio de safras de cobertura, colheitas rotativas, limitar a lavoura - que encoraja os solos a capturar e armazenar o carbono que sobra quando as raízes e folhas das colheitas começam a se decompor.

“Essa é uma renda adicional para a economia agrícola, "Ge disse." Eu não acho que nós descobrimos tudo ainda, porque você tem que verificar se realmente sequestrou aquele carbono na fazenda. E é por isso que a medição se torna realmente importante. "

Embora a equipe precisasse primeiro aumentar a precisão das estimativas de carbono de seu protótipo, Ge disse que vê o projeto como uma forma econômica de ajudar os agricultores a verificar o sucesso dos esforços de sequestro.

"Eu realmente acho que essa tecnologia pode se firmar nesse mercado de carbono, "disse Ge, que citou algum interesse inicial da General Mills. "Já falamos sobre isso há muito tempo. Espero que, em alguns anos, isso pode se expandir para uma escala muito maior - a ponto de fornecer renda adicional para uma fazenda - e as pessoas podem perceber a importância de ser capaz de gerenciar o solo de forma que ele possa armazenar esse carbono. "

Enquanto isso, 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."