Maiken Mikkelsen wil de wereld veranderen door een kleine, goedkope hyperspectrale camera om wereldwijde precisielandbouwpraktijken mogelijk te maken die water aanzienlijk zouden verminderen, energie, gebruik van kunstmest en pesticiden terwijl tegelijkertijd de opbrengsten worden verhoogd. Terwijl dat doel klinkt als een lange taak voor een eenvoudige camera, het is er een die nu groen licht heeft gekregen van een Moore Inventor Fellowship uit 2019.

"De Moore Inventor Fellowship opent een nieuwe weg van onderzoek voor mij, zei Mikkelsen, de James N. en Elizabeth H. Barton universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Duke University. "Het stelt me ​​in staat om nieuwe toepassingen voor mijn technologie te verkennen die het milieu en de mensheid op een diepgaande manier ten goede kunnen komen, en ik ben dankbaar dat de Moore Foundation me toestaat die na te streven."

De camera's waaraan de meeste mensen denken en die elke dag gebruiken, vangen alleen zichtbaar licht op, dat is een kleine fractie van het beschikbare spectrum. Andere camera's zijn mogelijk gespecialiseerd in infrarood- of röntgengolflengten, bijvoorbeeld, maar weinigen kunnen licht opvangen van ongelijksoortige punten langs het spectrum. En degenen die kunnen lijden aan een groot aantal nadelen, zoals ingewikkelde machines die kunnen breken, langzame functionele snelheden, omvang waardoor ze moeilijk te vervoeren zijn, met de hand hanteren of op drones plaatsen, en kosten die variëren van tientallen tot honderdduizenden dollars.

Mikkelsen, echter, werkt aan een aanpak die op één chip kan worden geïmplementeerd, een multispectraal beeld kan maken in een paar biljoensten van een seconde, en geproduceerd en verkocht voor slechts tientallen dollars.

"Het was helemaal niet duidelijk dat we dit konden doen, "zei Mikkelsen. "Het is eigenlijk verbazingwekkend dat dit niet alleen werkt in voorlopige experimenten, maar we zien nieuwe fysieke fenomenen waarvan we niet hadden verwacht dat ze ons in staat zouden stellen om te versnellen hoe snel we deze detectie met vele ordes van grootte kunnen doen."

Het fysieke fenomeen achter de technologie van Mikkelsen wordt plasmonica genoemd - het gebruik van fysieke verschijnselen op nanoschaal om bepaalde frequenties van licht op te vangen.

Mikkelsen en haar team maken zilveren kubussen van slechts honderd nanometer breed en plaatsen ze slechts enkele nanometers boven een dun laagje goud. Wanneer invallend licht het oppervlak van een nanokubus raakt, het prikkelt de elektronen van het zilver, het vangen van de energie van het licht, maar alleen op een bepaalde frequentie.

De grootte van de zilveren nanokubussen en hun afstand tot de basislaag van goud bepaalt die frequentie, terwijl het regelen van de afstand tussen de nanodeeltjes het mogelijk maakt om de sterkte van de absorptie af te stemmen. Door deze afstanden precies op maat te maken, onderzoekers kunnen het systeem laten reageren op elke elektromagnetische frequentie die ze willen.

Om dit fundamentele fysieke fenomeen te benutten voor een commerciële camera, Mikkelsen en haar collega's hebben een soort "superpixel" gedemonstreerd:een pixel gemaakt van een raster van negen individuele detectoren die elk zijn afgestemd op een andere lichtfrequentie. Wanneer een plek op het raster van de pixel zijn specifieke frequentie vastlegt, het warmt op, die op zijn beurt een elektrische spanning creëert in een laag pyro-elektrisch materiaal die er direct onder zit. Die spanning wordt dan afgelezen door een onderste laag van een silicium halfgeleidercontact, die het signaal naar een computer stuurt om te analyseren.

"Er zijn al eerder commerciële fotodetectoren gemaakt met dit soort pyro-elektrische materialen, maar ze hadden altijd twee grote nadelen:ze konden zich niet concentreren op specifieke elektromagnetische frequenties en werkten met zeer lage snelheden vanwege de dikke lagen van het materiaal die nodig zijn om voldoende binnenkomend licht te absorberen, "zei Mikkelsen. "Maar onze plasmondetectoren kunnen op elke frequentie worden afgestemd en zoveel energie vasthouden dat we alleen een dunne laag pyro-elektrisch materiaal nodig hebben, wat het proces enorm versnelt."

Terwijl de eerste proof-of-concept-experimenten een raster van drie bij drie zullen gebruiken dat negen frequenties kan detecteren, Mikkelsen is van plan op te schalen naar een vijf bij vijf raster voor in totaal 25 frequenties. En er is geen tekort aan applicaties die klaar zijn om te profiteren van zo'n apparaat.

Chirurgen kunnen hyperspectrale beeldvorming gebruiken om tijdens de operatie het verschil te zien tussen kankerweefsel en gezond weefsel. Voedsel- en waterveiligheidsinspecteurs kunnen het gebruiken om te zien wanneer een kippenborst besmet is met gevaarlijke bacteriën. Maar de toepassing waar Mikkelsen haar zinnen op heeft gezet, is precisielandbouw. Hoewel planten er met het blote oog misschien alleen groen of bruin uitzien, het licht dat door hun bladeren en bloemen buiten het visuele spectrum wordt gereflecteerd, bevat een overvloed aan waardevolle informatie.

"Het verkrijgen van een 'spectrale vingerafdruk' kan een materiaal en zijn samenstelling precies identificeren, "zei Mikkelsen. "Het kan niet alleen het type plant aangeven, maar het kan ook zijn toestand bepalen, of het water nodig heeft, is gestrest of heeft een laag stikstofgehalte, geeft aan dat er behoefte is aan kunstmest. Het is werkelijk verbazingwekkend hoeveel we over planten kunnen leren door simpelweg een spectraal beeld ervan te bestuderen."

Hyperspectrale beeldvorming kan precisielandbouw mogelijk maken, kunstmest toestaan, pesticiden, herbiciden en water alleen gebruiken waar nodig. Dit heeft het potentieel om vervuiling te verminderen en tegelijkertijd water en geld te besparen. Stel je een hyperspectrale camera voor die is gemonteerd op een helikopter of drone die de toestand van een veld in kaart brengt en die informatie verzendt naar een tractor die is ontworpen om kunstmest of pesticiden met variabele snelheden over de velden te leveren.

Geschat wordt dat het proces dat momenteel wordt gebruikt om kunstmest te produceren verantwoordelijk is voor maximaal twee procent van het wereldwijde energieverbruik en tot drie procent van de wereldwijde uitstoot van kooldioxide. Tegelijkertijd, onderzoekers schatten dat 50 tot 60 procent van de geproduceerde kunstmest wordt verspild. Alleen rekening houdend met kunstmest, precisielandbouw heeft een enorm potentieel voor energiebesparing en broeikasgasreductie, om nog maar te zwijgen van de geschatte 8,5 miljard dollar aan besparingen per jaar, volgens het Amerikaanse ministerie van landbouw.

Verschillende bedrijven zijn al bezig met dit soort projecten. Bijvoorbeeld, IBM voert een proefproject uit in India waarbij satellietbeelden worden gebruikt om gewassen op deze manier te beoordelen. Deze aanpak, echter, is erg duur en beperkend, daarom heeft Mikkelsen een goedkope, handheld detector die akkers vanaf de grond of vanaf goedkope drones in beeld kan brengen.

"Stel je de impact voor, niet alleen in de Verenigde Staten, maar ook in lage- en middeninkomenslanden waar er vaak een tekort aan kunstmest is, pesticiden en water, "zei Mikkelsen. "Door te weten waar die schaarse middelen moeten worden toegepast, we kunnen de gewasopbrengst aanzienlijk verhogen en honger helpen verminderen."

Gelanceerd in 2016 om de vijftigste verjaardag van de wet van Moore te vieren, de revolutionaire voorspelling die anticipeerde op de exponentiële groei van rekenkracht, het programma omarmt de geest van Gordon Moore's passie voor wetenschap en voorliefde voor uitvinden.

Dit jaar, de stichting heeft meer dan 200 nominaties voor de laatste ronde in overweging genomen, waaruit vijf fellows werden geselecteerd om innovatieve projecten na te streven met het potentieel om significante verandering teweeg te brengen. Elke fellow ontvangt in totaal $ 825, 000 gedurende drie jaar, evenals netwerken en ondernemersondersteuning om hun uitvinding vooruit te helpen.

"De Moore Inventor Fellowship erkent de kwaliteit van het individu, evenals de kwaliteit van het idee, " zei Harvey V. Fineberg, voorzitter van de Gordon en Betty Moore Foundation. "Het uiteindelijke doel is om de ideeën om te zetten in uitvindingen die de wereld kunnen veranderen."