Sulla superficie, assomiglia a una lancia di acciaio inossidabile, lungo circa 6 piedi con un diametro di un dollaro d'argento che termina in un punto di 30 gradi.

Ma quel punto - l'intero punto del penetrometro giustamente chiamato - riguarda lo scavare sotto la superficie, dove può illuminare con una luce visibile e nel vicino infrarosso le proprietà vitali per l'agricoltura e l'ambiente del sottosuolo che si trova al di sotto del terriccio.

Caratterizzando quel sottosuolo al volo e in campo, Gli ingegneri Yufeng Ge e Nuwan Wijewardane dell'Università del Nebraska-Lincoln ritengono che il prototipo potrebbe emergere come uno strumento che consente di risparmiare tempo e denaro che informa con precisione l'irrigazione e l'applicazione di fertilizzanti. E immaginano che consenta a più agricoltori di partecipare a un fiorente, mercato rispettoso del clima che incentiva gli agricoltori a catturare il carbonio nei loro terreni.

Quel potenziale deriva da un semplice principio:tutte le sostanze, compresa la materia organica e i minerali presenti nel suolo, riflettono la luce in modo diverso. Più precisamente, ogni sostanza riflette diverse lunghezze d'onda della luce, comprese le regioni del visibile e del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico.

Sapendo che, Ge, Wijewardane e i loro colleghi hanno incorporato il prototipo con una luce alogena ad ampio spettro che si riversa attraverso un'apertura al quarzo, annidandolo sotto uno specchio parabolico e un cavo in fibra ottica che raccolgono tutte le lunghezze d'onda che rimbalzano.

Un altro dispositivo, collegato al penetrometro, quindi misura l'intensità di circa 2, 100 diverse lunghezze d'onda negli spettri del visibile e del vicino infrarosso. Le intensità di determinate lunghezze d'onda in quella firma spettrale sono correlate alla presenza di determinate sostanze e tipi di suolo. Materia organica ricca di carbonio e azoto, ad esempio, contribuisce a suoli più scuri che riflettono relativamente poche lunghezze d'onda visibili. Suoli con meno materia organica o molto ferro, al contrario, rifletterà spesso gialli o rossi.

Dopo essere stato idraulicamente immerso diversi piedi in un dato pezzo di terreno, il prototipo può prendere letture spettrali da ogni sezione trasversale di 1 pollice che risiede tra la punta del prototipo e la superficie del suolo. Il processo da cinque a otto minuti elimina la necessità di scavare fosse di terreno o estrarre carote di terreno, che vengono tradizionalmente inviati al laboratorio per analisi costose che possono richiedere settimane ma esaminano ancora molte meno sezioni trasversali.

Ge ha affermato che il prototipo rappresenta anche un miglioramento rispetto alla maggior parte delle tecnologie di rilevamento del suolo portatili, che in genere rilevano letture non più profonde di 6 pollici.

"Va bene, perché quel terriccio è il più significativo, " disse Ge, professore associato di ingegneria dei sistemi biologici. "Ma se guardi a qualcosa come il sistema di produzione del mais, le radici vanno in profondità. Per alcune proprietà, come l'assorbimento di acqua o di nutrienti da parte di una coltura, il livello della superficie del suolo è solo una parte della storia. Vuoi davvero considerare l'intera zona radice."

Il gruppo, che include Cristine Morgan del Soil Health Institute, Jason Ackerson della Purdue University e Sarah Hetrick della Texas A&M University, non si accontentava di stimare solo la composizione del sottosuolo. I ricercatori volevano che il loro prototipo misurasse quanto fosse compatto il terreno, pure, come mezzo per discernere quanto bene quel suolo potrebbe trattenere l'acqua e condividerla con le colture. Quindi hanno incluso una cella di carico per la misurazione della forza vicino alla punta del prototipo, insieme a un sensore a ultrasuoni che misura quanto in profondità è stato scavato il prototipo, stimare la densità del suolo.

"La trama determina davvero la capacità di trattenere l'acqua, " Ge ha detto. "Se hai troppo sabbioso di terreno, si muove molto rapidamente attraverso la zona radice. Ma se hai un terreno troppo argilloso, terrà l'acqua molto stretta, e le radici non possono estrarlo completamente."

Con il prototipo costruito, i ricercatori hanno cercato di confrontare le sue firme spettrali con una libreria di circa 20, 000 firme che il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti ha raccolto da campioni di suolo in tutto il paese. Poiché l'USDA ha anche riportato le effettive concentrazioni di carbonio e di alcuni minerali in quei campioni, confrontare le nuove firme con quelle dell'USDA consentirebbe al team di calibrare meglio il modello che stava utilizzando per stimare le concentrazioni nei propri campioni.

C'era, naturalmente, solo un problema. L'USDA aveva raccolto le sue firme spettrali dopo aver asciugato i suoi campioni di terreno in laboratorio, il che significa che non contenevano l'umidità che praticamente tutti i campioni di campo contengono. E dato che l'acqua interagisce con la luce, il laboratorio di essiccazione ha seriamente alterato quelle firme.

Fortunatamente, un algoritmo esistente ha aiutato i ricercatori a ridurre al minimo il rumore statistico prodotto dall'acqua, trasformando le loro firme spettrali in una forma più simile a quella dell'USDA. Per testare le sue correzioni, il team ha preso letture da 11 campi totali in tutto il Nebraska, Illinois, Iowa e Sud Dakota. Come previsto, il team ha scoperto che le stime del prototipo dei livelli di carbonio e azoto si sono avvicinate ai livelli effettivi dopo l'applicazione dell'algoritmo rispetto a prima.

Luce guida

Pur ammettendo che la precisione del prototipo potrebbe migliorare, e che si aspetta che lo sia, Ge ha affermato che anche la versione attuale potrebbe aiutare gli agricoltori che cercano di utilizzare l'irrigazione e i fertilizzanti in modo più strategico.

La maggior parte delle forme di agricoltura di precisione, Ge ha detto, implicano la divisione di un campo in una griglia e il campionamento del suolo da un certo numero delle sue cellule. La spesa relativa delle misurazioni di laboratorio potrebbe limitare quel numero, Egli ha detto, fare stime sul campo della composizione del sottosuolo un'alternativa interessante in un'ipotetica azienda agricola di 160 acri.

"Supponiamo che tu abbia le risorse per uscire e raccogliere cinque misurazioni molto accurate, " Ge ha detto. "Si prende la media, e ottieni la deviazione standard, e tu pensi, 'Bene, questa è la media e la varianza per il campione di suolo in quel campo.'

"Non sarei d'accordo con questo tipo di mentalità, perché direi (che) cinque non sono sufficienti. Non importa con quanta cura posizioni queste cinque posizioni, non catturerai l'intera visuale del campo. La mia argomentazione sarebbe:devi davvero farlo molte volte. Anche se le tue misurazioni potrebbero non essere accurate come una misurazione di laboratorio, puoi ancora ottenere una stima davvero buona e potenzialmente essere più utile del primo scenario."

Ge ha espresso lo stesso entusiasmo per un'applicazione meno ovvia ma promettente del prototipo - il sequestro del carbonio - che potrebbe in definitiva aiutare gli agricoltori a diversificare i loro flussi di entrate affrontando la causa principale del riscaldamento globale. I suoli del mondo immagazzinano più di tre volte la quantità di carbonio che attualmente risiede nell'atmosfera, anche se l'anidride carbonica atmosferica ha raggiunto livelli mai visti negli ultimi 3 milioni di anni.

Nel 2019, una startup di tecnologia agricola denominata Indigo Agriculture ha lanciato un'iniziativa che offre denaro agli agricoltori che si dedicano a pratiche:piantare colture di copertura, colture rotanti, limitando la lavorazione del terreno, che incoraggiano i terreni a catturare e immagazzinare il carbonio rimasto quando le radici e le foglie delle colture iniziano a marcire.

"Questo è un reddito aggiuntivo per l'economia agricola, " Ge ha detto. "Non credo che abbiamo capito tutto ancora, perché devi verificare di aver effettivamente sequestrato quel carbonio nella fattoria. Ed è per questo che la misurazione diventa davvero importante".

Sebbene il team avrebbe prima bisogno di aumentare l'accuratezza delle stime del carbonio del suo prototipo, Ge ha detto che vede il design come un modo conveniente per aiutare gli agricoltori a verificare il successo di questi sforzi di sequestro.

"Penso davvero che questa tecnologia possa prendere piede in quel mercato del carbonio, " disse Ge, che ha citato un certo interesse iniziale da parte di General Mills. "Ne abbiamo parlato per molto tempo. Spero che, in pochi anni, questo può espandersi su una scala molto più ampia, al punto da fornire un reddito aggiuntivo per un'azienda agricola, e le persone possono rendersi conto dell'importanza di essere in grado di gestire il suolo in modo da poter immagazzinare questo carbonio".

Intanto, Ge e Wijewardane stanno esaminando se è possibile ridurre il diametro del loro prototipo, 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."