Αναζήτηση νερού μέσω αισθητήρα

Από σελίδα του PhysicsWeb, 16 Απριλίου 2002

Τα συστήματα της άρδευσης στις ξηρές χώρες θα μπορούσαν να ωφεληθούν από έναν νέο ανιχνευτή υγρασίας που είναι πιό ευαίσθητος από τις υπάρχουσες συσκευές. Η συσκευή που αναπτύχθηκε από τον Juan Bisquert και συνάδελφους του στο Πανεπιστήμιο Jaume I στην Ισπανία  είναι βασισμένη στο οξείδιο κασσίτερου και ίνδιου, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία των ημιαγωγών. Και φτηνός και ανθεκτικός, ο αισθητήρας θα μπορούσε να βελτιώσει τις παραγωγές των συγκομιδών και να εξοικονομήσει το νερό - ένα πολύτιμο στοιχείο τόσο για τη γεωργία όσο και για τον τουρισμό (F Fabregat-Santiago et al 2002 Appl. Phys. Lett. 80 2785).

Πολλά συστήματα συγκομιδών αρδεύονται αυτόματα σε τακτά χρονικά διαστήματα, αλλά αυτά τα συστήματα μπορούν να είναι ανεπαρκή στα πολύ ξηρά κλίματα επειδή μπορεί το νερό να μειώνεται απροσδόκητα ή κατ' ασυνήθιστο τρόπο στις θερμές περιόδους. Οι ανιχνευτές υγρασίας θα επέτρεπαν σε τέτοια συστήματα να διατηρήσουν ένα ορισμένο επίπεδο υγρασίας στο χώμα, αλλά οι συμβατικές συσκευές είναι ακατάλληλες για τις ξηρές περιοχές επειδή είναι ευαίσθητες μόνο στα υψηλά επίπεδα υγρασίας. Επίσης μάλλον είναι ακριβοί.

Σε μία προσπάθεια να λυθεί αυτό το πρόβλημα, ο Juan Bisquert και οι συνάδελφοι του εστίασαν την προσοχή τους στο οξείδιο ινδίου κασσίτερου (ITO), έναν "εκφυλισμένο" ημιαγωγό με χαρακτηριστικά αγωγιμότητας παρόμοια με αυτόν ενός μετάλλου. Αυτό το υλικό χρησιμοποιείται ευρέως ως υπόστρωμα αγωγιμότητας στη βιομηχανία ημιαγωγών και τα φύλλα του γυαλιού που ντύνονται με ITO και που είναι εύκολα διαθέσιμο.

Ο Bisquert και οι συνάδελφοι του έκοψαν ένα τετράγωνο ενός εκατοστού από ένα τέτοιο φύλλο, και αφαίρεσαν μια λουρίδα του στρώματος ITO. Αυτοί άφησαν δύο περιοχές με ITO - με τις οποίες σύνδεσαν τα ηλεκτρόδια - που χωρίζονται από ένα κανάλι πλάτους 500 micrometres. Η συσκευή θάφτηκε έπειτα στο ξηρό χώμα, έτσι ώστε τα μόρια του εδάφους   γέμισαν το κανάλι, και το σύνδεσαν με μια παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Οι ερευνητές κατέγραψαν έπειτα την αντίσταση του χώματος καθώς πρόσθεταν νερό σε αυτό, και καθώς αυτό ξηραινόταν.

Καθώς η ομάδα ποίκιλε την εδαφολογική υγρασία μεταξύ 5% και 10%, διαπίστωσαν ότι η αντίσταση μεταβαλόταν από δύο μεγέθη, που δείχνουν ότι η συσκευή είναι πολύ ευαίσθητη στα χαμηλά επίπεδα του νερού. Οι ερευνητές ήταν σε θέση τότε να αναπαραγάγουν τα αποτελέσματά τους επαρκώς, ακόμα και όταν ρύθμισαν την οξύτητα του χώματος για να μιμηθούν τα αποτελέσματα των χημικών λιπασμάτων.

Αν και η ευαισθησία της συσκευής προκύπτει από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του ITO, λειτουργεί με τις ίδιες αρχές άλλων ανιχνευτών υγρασίας: όταν τα μόρια του νερού προσροφούνται στην επιφάνεια του αισθητήρα, κάποια από αυτά χωρίζονται σε ιόντα H₃O⁺ και OH^-. Η αγωγή πραγματοποιείται όταν ένα   ιόν H₃O⁺  δίνει ένα πρωτόνιο σε ένα γειτονικό μόριο ύδατος, το οποίο ελευθερώνει ένα άλλο πρωτόνιο, και αυτό συνεχίζεται. Η αγωγιμότητα επομένως αυξάνεται με τα αυξανόμενα επίπεδα υγρασίας.

Ο Bisquert και οι συνάδελφοι του είναι ευτυχείς με τη συσκευή τους, αλλά προειδοποιούν ότι έχει καταδειχθεί μόνο στο εργαστήριο. "Πρέπει τώρα να ελέγξουμε ότι οι αναγνώσεις συσχετίζονται καλώς με τις ανάγκες νερού των συγκομιδών για μια χρονική περίοδο," είπε ο Bisquert. "Αυτό θα είναι το κρίσιμο βήμα, επειδή η κατασκευή του είναι απλή."