Gewächshäuser und offene Bauernhöfe, die Besucher zum Kauf lokal angebauter Produkte und Fleisch einladen, sind für die Lebensmittelproduktivität immer wichtiger geworden. Landwirte suchen nicht nur nach Möglichkeiten, die Bedingungen zu überwachen, um das Wachstum und den Ertrag von Gewächshauspflanzen zu verbessern, sondern es ist auch ein wichtiges Anliegen, geerntete Lebensmittel unter Lagerbedingungen frisch zu halten. Intelligente Sensortechnologie, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit überwacht und steuert, spielt eine wesentliche Rolle bei der Produktion ausreichender Nahrungsmittel, um den ständig steigenden Bedarf der Weltbevölkerung zu decken.
In Zeitschrift für Laseranwendungenvon AIP Publishing präsentierten Forscher der Auburn University in Alabama papierbasierte Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, die genau und zuverlässig sowie umweltfreundlich sind.
Die Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit unter verschiedenen Bedingungen im Pflanzenanbau hat zur Entwicklung zahlreicher Sensoren geführt. Es ist jedoch eine Herausforderung, sicherzustellen, dass diese Geräte effektiv sind und gleichzeitig umweltfreundlich und kosteneffektiv bleiben.
„In den letzten Jahren wurde die Landwirtschaft stark von drastischen Veränderungen der Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur getroffen, wodurch die Dringlichkeit innovativer Lösungen zur Steigerung der Produktivität und Verbesserung der Qualität bei minimaler Umweltbelastung steigt“, sagte Autor Masoud Mahjouri-Samani.
Flexible Elektronik und Sensoren lassen sich schnell und einfach herstellen. Zu den bei der Herstellung dieser Sensoren verwendeten Drucktechnologien gehören Methoden wie Aerosolstrahldruck, Tintenstrahldruck, Tiefdruck und Siebdruck. Aufgrund der flüssigen Natur dieser Techniken und ihrer Unverträglichkeit mit biologisch abbaubaren Grundmaterialien erfolgt der Druck meist auf nicht biologisch abbaubaren Kunststoffen.
Papier ist eine hervorragende Alternative zu diesen herkömmlichen Kunststoffmaterialien. Seine Zellulosefasern sorgen für eine poröse Oberfläche und es ist biologisch abbaubar und reichlich vorhanden.
Das Forschungsteam entwickelte Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, indem es Silberlinien auf vier Arten handelsüblicher Papiere druckte. Dabei handelte es sich um ein Verfahren namens „Dry Additive Nanomanufacturing“. Änderungen in der Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern (Kapazität genannt), und des spezifischen Widerstands der gedruckten Elektroden werden überwacht, um Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen zu ermitteln. Da das Papier Wasserdampf aufnimmt, wird seine Kapazitätsänderung gemessen, um die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung widerzuspiegeln.
Der Temperaturerfassungsmechanismus beruht auf Widerstandsänderungen. Mit zunehmender Temperatur nimmt der spezifische Widerstand des metallischen Leiters zu.
Die Sensoren erwiesen sich als zuverlässig und empfindlich gegenüber Änderungen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Sie erkannten erfolgreich Veränderungen der relativen Luftfeuchtigkeit von 20 % auf 90 % und Temperaturschwankungen von 25 °C auf 50 °C. Darüber hinaus sind die biologisch abbaubaren Sensoren erschwinglich und können wiederverwendet werden, und wenn es soweit ist, können sie sicher entsorgt werden.
„Durch die Integration fortschrittlicher Techniken wie der trockenen additiven Nanofertigung mit biologisch abbaubaren Substraten verbindet diese Forschung Funktionalität mit Umweltverantwortung und geht auf das wachsende Problem der Entsorgung elektronischer Geräte ein“, sagte Mahjouri-Samani. „Dieser Ansatz bietet das Potenzial, intelligente landwirtschaftliche Praktiken zu revolutionieren, indem er eine präzise Überwachung der Schlüsselfaktoren des Pflanzenwachstums ermöglicht.“
