På ytan, det liknar ett spjut av rostfritt stål, ungefär 6 fot lång med en silver-dollar diameter som slutar i en 30-graders punkt.

Men den punkten - hela poängen med den passande namngivna penetrometern - handlar om att gräva under ytan, där den kan lysa lite synligt och nära-infrarött ljus på de jordbruksmässigt och miljömässigt viktiga egenskaperna hos underjorden som ligger under matjord.

Genom att karakterisera den undergrunden i farten och på fältet, Ingenjörerna Yufeng Ge och Nuwan Wijewardane vid University of Nebraska–Lincoln tror att prototypen kan dyka upp som ett tids- och kostnadsbesparande verktyg som informerar om exakt bevattning och applicering av gödningsmedel. Och de föreställer sig att fler bönder kan delta i en spirande, klimatvänlig marknadsplats som uppmuntrar bönder att fånga upp kol i sina jordar.

Den potentialen härrör från en enkel princip:alla ämnen, inklusive organiskt material och mineraler som finns i marken, reflekterar ljuset annorlunda. Mer relevant, varje ämne reflekterar olika våglängder av ljus, inklusive de synliga och nära-infraröda områdena i det elektromagnetiska spektrumet.

Veta att, Ge, Wijewardane och deras kollegor bäddade in prototypen med ett bredspektrat halogenljus som strömmar genom en kvartsöppning, inbäddat under en parabolisk spegel och fiberoptisk kabel som samlar alla våglängder som studsar tillbaka.

En annan enhet, ansluten till penetrometern, mäter sedan intensiteten på cirka 2, 100 olika våglängder över det synliga och nära infraröda spektra. Intensiteten för vissa våglängder i den spektrala signaturen korrelerar med närvaron av vissa ämnen och typer av jordar. Kol- och kväverikt organiskt material, till exempel, bidrar till mörkare jordar som reflekterar relativt få synliga våglängder. Jordar med mindre organiskt material eller mycket järn, däremot kommer ofta att reflektera gult eller rött.

Efter att ha blivit hydrauliskt nedsänkt flera fot i en viss jordfläck, prototypen kan ta spektralavläsningar från varje 1-tums tvärsnitt som finns mellan prototypens spets och jordens yta. Den fem till åtta minuter långa processen eliminerar behovet av att gräva jordgropar eller extrahera jordkärnor, som traditionellt skickas till labbet för kostsamma analyser som kan ta veckor men ändå undersöka mycket färre tvärsnitt.

Ge sa att prototypen också representerar en förbättring jämfört med de flesta bärbara markavkänningsteknologier, som vanligtvis tar avläsningar som inte är mer än 6 tum djupa.

"Det är ok, eftersom den matjorden är den viktigaste, sa Ge, docent i biologisk systemteknik. "Men om du tittar på något som majsproduktionssystemet, rötterna går djupt. För vissa fastigheter, som vattenupptag eller näringsupptag av en gröda, jordytans nivå är bara en del av historien. Du vill verkligen överväga hela rotzonen."

Laget, som inkluderar Cristine Morgan från Soil Health Institute, Jason Ackerson från Purdue University och Sarah Hetrick från Texas A&M University, var inte nöjd med att bara uppskatta undergrundens sammansättning. Forskarna ville att deras prototyp skulle mäta hur tätt packad jorden är, för, som ett sätt att urskilja hur väl den jorden kan hålla kvar vatten och dela det med grödor. Så de inkluderade en kraftmätande lastcell nära prototypens spets, tillsammans med en ultraljudssensor som mäter hur djupt prototypen har grävt, för att uppskatta jordens densitet.

"Texturen avgör verkligen vattenhållningsförmågan, "Ge sa. "Om du har för sandig jord, det bara rör sig genom rotzonen väldigt snabbt. Men om du har en för lerig (liknande) jord, det kommer att hålla vattnet väldigt tätt, och rötterna kan inte helt utvinna det."

Med prototypen byggd, forskarna försökte jämföra dess spektrala signaturer med ett bibliotek på cirka 20, 000 underskrifter som det amerikanska jordbruksdepartementet samlade in från jordprover i hela landet. Eftersom USDA också rapporterade de faktiska koncentrationerna av kol och vissa mineraler i dessa prover, Att jämföra de nya signaturerna mot USDA:s skulle göra det möjligt för teamet att bättre kalibrera modellen som de använde för att uppskatta koncentrationer i sina egna prover.

Det var, naturligtvis, bara ett problem. USDA hade samlat in sina spektrala signaturer efter att ha torkat sina jordprover i labbet, vilket innebär att de inte innehöll någon av den fukt som praktiskt taget alla fältprover gör. Och med tanke på att vatten interagerar med ljus, labbtorkningen ändrade allvarligt dessa signaturer.

Lyckligtvis, en befintlig algoritm hjälpte forskarna att minimera det statistiska bruset som trummades upp av vattnet, omvandla sina spektrala signaturer till en form som närmare motsvarar USDA:s. För att testa dess korrigeringar, laget tog avläsningar från totalt 11 fält över hela Nebraska, Illinois, Iowa och South Dakota. Som förväntat, teamet fann att prototypens uppskattningar av kol- och kvävenivåer kom närmare de faktiska nivåerna efter att ha tillämpat algoritmen än de gjorde tidigare.

Vägledande ljus

Samtidigt som han medgav att prototypens noggrannhet skulle kunna förbättras - och att han förväntar sig att den kommer att göra - sa Ge att även den nuvarande versionen kan hjälpa bönder som vill använda bevattning och gödningsmedel mer strategiskt.

De flesta former av precisionsjordbruk, Ge sa, innebära att dela upp ett fält i ett rutnät och ta prover på jorden från ett visst antal av dess celler. Den relativa kostnaden för labbbaserade mätningar kan begränsa det antalet, han sa, göra uppskattningar på fältet av undergrundens sammansättning till ett tilltalande alternativ på en hypotetisk gård på 160 hektar.

"Låt oss säga att du har resurserna att gå ut och samla fem mycket exakta mätningar, "Ge sa. "Du tar genomsnittet, och du får standardavvikelsen, och du tänker, 'Väl, det är medelvärdet och variansen för jordprovet i det fältet.'

"Jag skulle inte hålla med om den typen av mentalitet, eftersom jag skulle hävda (att) fem inte är tillräckligt. Oavsett hur noggrant du placerar dessa fem platser, du kommer inte att fånga hela vyn av fältet. Mitt argument skulle vara:Du måste verkligen göra det här många gånger. Även om dina mätningar kanske inte är lika exakta som en labbbaserad mätning, du kan fortfarande få en riktigt bra uppskattning och potentiellt vara mer användbar än det första scenariot."

Ge uttryckte lika mycket entusiasm för en mindre uppenbar men lovande tillämpning av prototypen – kolbindning – som i slutändan skulle kunna hjälpa bönder att diversifiera sina intäktsströmmar samtidigt som man tar itu med den främsta orsaken till global uppvärmning. Världens jordar lagrar mer än tre gånger den mängd kol som för närvarande finns i atmosfären, även som atmosfärisk koldioxid har nått nivåer som inte har setts under de senaste 3 miljoner åren.

Under 2019, en startup inom jordbruksteknologi vid namn Indigo Agriculture lanserade ett initiativ som erbjuder pengar till bönder som ägnar sig åt metoder – plantering av täckgrödor, roterande grödor, begränsa jordbearbetningen – som uppmuntrar jordar att fånga upp och lagra det kol som blir över när grödans rötter och löv börjar förmultna.

"Det är ytterligare inkomster för jordbruksekonomin, " sa Ge. "Jag tror inte att vi har räknat ut allt ännu, eftersom du måste verifiera att du faktiskt har bindit det kolet på gården. Och det är därför mätning blir riktigt viktig."

Även om teamet först skulle behöva öka noggrannheten i sin prototyps koldioxiduppskattningar, Ge sa att han ser designen som ett kostnadseffektivt sätt att hjälpa bönder att verifiera framgången för dessa sekvestreringsinsatser.

"Jag tror verkligen att den här tekniken kan få fotfäste på den koldioxidmarknaden, sa Ge, som citerade ett visst initialt intresse från General Mills. "Vi har pratat om det här länge. Jag hoppas att om några år, detta kan expandera till en mycket större skala – till den grad att det ger ytterligare inkomster för en gård – och människor kan inse vikten av att kunna hantera marken på ett sätt som kan lagra detta kol."

Sålänge, Ge och Wijewardane undersöker om det är möjligt att krympa diametern på deras prototyp, vilket skulle kunna göra det mer möjligt för användarna att lämna hydrauliken och manuellt sänka penetrometern i undergrunden.

Vid sin nuvarande 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, Säkert. But challenges are what we, som ingenjörer, live to address."