Modelowanie i optymalizacja parametrów pracy elektronicznego mechanizmu dozującego typu komórkowego dla supergranulek mocznika (USG) z wykorzystaniem podejścia EDEM-RSM

Dlaczego lepsze dostarczanie nawozu ma znaczenie

Rolnicy ryżu na całym świecie polegają na nawozach azotowych, aby utrzymać wysokie plony, ale znaczną część tych nawozów marnuje się — spływa do wód albo ulatnia się jako silne gazy cieplarniane. Jednym ze sposobów ograniczenia tych strat jest umieszczanie skompaktowanych supergranulek mocznika (USG) głęboko w glebie, blisko korzeni ryżu. W artykule opisano nowe urządzenie elektroniczne zdolne precyzyjnie upuszczać te granulki tam, gdzie są potrzebne, przy jednoczesnym wykorzystaniu symulacji komputerowych do dopracowania projektu zanim trafi on w pole.

Od pracy ręcznej do inteligentnych maszyn

Głębokie umieszczanie USG wykazało już, że może zwiększyć plony ryżu nawet o 40 procent i niemal podwoić efektywność wykorzystania azotu przez rośliny. Problem polega na tym, że ręczne umieszczanie każdej granulki jest pracochłonne i męczące, więc wielu rolników z tego rezygnuje. Wcześniejsze narzędzia do umieszczania USG wymagały wysiłku manualnego i nie zawsze zapewniały równomierne odstępy. Autorzy postawili sobie za cel zaprojektowanie elektronicznego systemu dozowania, który można przymocować do sadzarki ryżu, automatycznie podając USG do gleby we właściwych miejscach przy minimalnym udziale człowieka.

Jak nowe urządzenie dostarcza każdą granulę

Rdzeniem systemu jest obracający się wałek z czterema małymi zagłębieniami, czyli komórkami, wzdłuż krawędzi. Nad nim znajduje się lejek wypełniony USG. W miarę obracania się wałka każda komórka powinna idealnie złapać jedną granulę, a następnie uwolnić ją do rury dostarczającej, która przenosi ją do bruzdy między czterema stożkami ryżu. Silnik krokowy, sterowany przez mikrokontroler Arduino i zsynchronizowany z sadzarką przez enkoder obrotowy, zapewnia, że wałek wykonuje odpowiedni ułamek obrotu dla każdego zestawu sadzonek. Zespół mógł zmieniać rozmiar kieszeni przy użyciu wydrukowanych 3D wałków oraz regulować prędkość wałka i poziom napełnienia lejka, aby badać, jak te czynniki wpływają na działanie.

Użycie wirtualnych granulek do dopracowania projektu

Zamiast polegać jedynie na metodzie prób i błędów w laboratorium, badacze zbudowali szczegółowy model komputerowy systemu przy użyciu metody elementów dyskretnych (DEM), techniki symulującej, jak poruszają się i zderzają tysiące pojedynczych cząstek. Odtworzyli kształt i właściwości fizyczne granulek USG, geometrię lejka i wałka oraz kontakt między plastikowymi częściami a nawozem. Czujniki w symulacji zliczały, ile granulek trafiało do każdej komórki, jak często komórka była pusta i jak często zawierała więcej niż jedną granulę. Następnie zastosowali statystyczną technikę zwaną metodologią powierzchni reakcji (RSM), aby zbadać kombinacje powierzchni komórki, prędkości wałka i poziomu napełnienia lejka, poszukując ustawień zapewniających pełne komórki głównie z pojedynczymi granulami oraz jak najmniejszą liczbę pominięć i podwójnych dozowań.

Znajdowanie optymalnego punktu dla równomiernego dozowania

Symulacje wykazały wyraźne zależności. Większe komórki zwiększały prawdopodobieństwo napełnienia, ale również podnosiły ryzyko złapania więcej niż jednej granulki. Mniejsze komórki i bardzo szybkie obroty wałka miały tendencję do pozostawiania komórek pustych, ponieważ granulkom brakowało czasu, by osadzić się na miejscu. Pełniejszy lejek pomagał w napełnianiu komórek, ale miał niewielki wpływ na to, czy komórka zawiera jedną czy wiele granulek. Poprzez zrównoważenie tych efektów optymalizacja zasugerowała idealną powierzchnię komórki około 1088 milimetrów kwadratowych, prędkość wałka około jednej czwartej metra na sekundę oraz napełnienie lejka do trzech czwartych pojemności. W tych warunkach model przewidywał pełne napełnienie komórek, wysoki odsetek komórek z pojedynczą granulą oraz bardzo niskie wskaźniki pominięć i podwójnych dozowań.

Testowanie modelu

Aby sprawdzić wyniki wirtualne, zespół zbudował fizyczną jednostkę dozującą z zoptymalizowanym rozmiarem komórki i zamontował ją na stanowisku testowym w skrzyni z glebą. Przy ustawionej prędkości wałka i poziomie napełnienia lejka zmierzono, jak często komórki były napełnione, ile z nich przenosiło dokładnie jedno USG i jak równomiernie granulki były rozmieszczone w bruzdzie. Wyniki rzeczywiste były bliskie tym ze symulacji: 97 procent komórek było napełnionych, 91 procent dostarczyło pojedynczą granulę, a tylko kilka komórek było pustych lub zawierało podwójną dawkę. Na odcinku 10 metrów rozmieszczenie granulek w glebie spełniło przyjęte standardy dobrej jednorodności. Prosta analiza kosztów sugerowała, że w połączeniu z sadzarką aplikator mógłby się zwrócić w około półtora roku użytkowania.

Co to oznacza dla rolników i klimatu

Mówiąc wprost, badanie pokazuje, że możliwe jest zaprojektowanie urządzenia dokładanego do sadzarki ryżu, które pozwala niemal perfekcyjnie umieszczać granulki USG, przy znacznie mniejszym nakładzie pracy niż ręczne umieszczanie. Łącząc szczegółowe symulacje cząstek z testami laboratoryjnymi, autorzy zidentyfikowali parametry pracy zapewniające prawie jedną granulę na komórkę, w regularnych odstępach w glebie. Jeśli rozwiązanie to zostanie szeroko przyjęte, takie systemy mogą pomóc rolnikom stosować mniej azotu, przy utrzymaniu lub zwiększeniu plonów, obniżając koszty oraz emisje gazów cieplarnianych z zalewanych pól ryżowych.

Cytowanie: Swain, S.S., Khura, T.K., Arjun, P. et al. Modelling and optimization of operating parameters of an electronic cell type metering mechanism for urea super granules (USG) using EDEM-RSM approach. Sci Rep 16, 15622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43407-w

Słowa kluczowe: supergranulki mocznika, nawóz do ryżu, rolnictwo precyzyjne, aplikator nawozu, metoda elementów dyskretnych