Z měření v bahně se stává operace ve vzduchu. Nový systém dokáže za sedm minut zjistit koncentraci dusičnanů s přesností 95 %, čímž mění způsob, jakým chráníme řeky, jezera a podzemní vody před znečištěním ze zemědělství.
Problém je v tom, že velká část splavenin s hnojivy se vyskytuje daleko od silnic, ve strmých příkopech, mokřadech nebo strouhách, které nikdo nenavštěvuje, dokud není pozdě. Často se stává, že než data dorazí, je po dešti, hnojivo se rozptýlí a škoda je hotová: kvetou řasy, mrtvé ryby, znečištěné studny.
Ti šťastnější využívají malé roboty, které se pohybují ve vodě autonomně a při plnění svých funkcí se spoléhají na optické senzory. Problém: mají krátkou životnost, senzory jsou velmi drahé a musí být speciálně připraveny k ponoření a stojí až 40 000 eur (asi 1 milion korun). Nyní se skupina vědců rozhodla tuto logiku postavit na hlavu nápadem, který je stejně jednoduchý jako odvážný: pokud se vzorek nemůže snadno dostat do laboratoře, ať se laboratoř dostane ke vzorku. Pomocí létání.
Přesně to představuje nový systém popsaný v časopise ACS Sensors: dron vybavený malou laboratoří, který je schopen odebírat vodu přímo z terénu a analyzovat ji v reálném čase, zatímco zůstává ve vzduchu. Laboratoř na dronu určená k měření koncentrace dusičnanů, jednoho z hlavních odpadních produktů moderního intenzivního zemědělství a jednoho z hlavních viníků degradace řek, jezer a vodonosných vrstev. Myšlenka je inspirována takzvanou „laboratoří na čipu“, ale přenesenou na vzdušnou platformu schopnou rychlého pohybu po krajině.
Související článek
Dusík je nezbytný pro růst plodin, ale je také nepolapitelný. Značná část hnojiv aplikovaných na pole nezůstává tam, kde by měla, ale je odplavována dešťovou nebo zavlažovací vodou. Na své cestě se dusík nakonec přemění na dusičnany, malé rozpustné molekuly, které živí rozsáhlé květy řas, vytvářejí mrtvé zóny bez kyslíku a mohou kontaminovat pitnou vodu. Tento jev, známý jako eutrofizace, postihl takové symbolické systémy, jako je Mar Menor ve Španělsku a mrtvá zóna v Mexickém zálivu, kde voda chudá na kyslík způsobuje, že mořský život je po část roku neživotaschopný.
Obavy nejsou jen ekologické. Světová zdravotnická organizace a americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) stanovily přísné limity pro obsah dusičnanů v pitné vodě (přibližně 10 částic na milion, tj. 50 mg/l dusičnanů vyjádřených jako NO3-), a to z důvodu jejich spojitosti se zdravotními problémy, jako je methemoglobinémie kojenců, tzv. syndrom „modrého dítěte“, a možné spojitosti s některými typy rakoviny při dlouhodobé expozici. Monitorování jejich přítomnosti je klíčové, ale jeho provádění v terénu bylo vždy nákladné, časově náročné a nepraktické.
Nový dron tento scénář mění. Pod jeho rámem je zavěšena dlouhá ohebná trubka, která nasává vodu z příkopů nebo nepřístupných vodních toků. Tato voda vstupuje do kompaktního systému sestávajícího z na míru navrženého čerpadla, levných elektrochemických senzorů a potenciometrického zařízení, které je schopno kvantifikovat dusičnany za pouhých sedm minut. Vše se děje za letu, bez nutnosti přistání nebo přímé lidské manipulace. Systém je navržen tak, aby byl robustní: odolává vibracím, změnám teploty a malým turbulencím, které vytváří samotný dron.
Dron (DJI Matrice 350, který se již používá v zemědělství a který je schopen létat až jednu hodinu s doletem 20 km s užitečným zatížením 2,7 kg) analyzuje nejen jeden vzorek, ale může jich před přistáním odebrat několik a data uložit na paměťovou kartu pro pozdější analýzu. Během jediného letu může přeletět síť zavlažovacích příkopů, zastavit se na několik minut nad každým bodem zájmu, nasát vodu, analyzovat ji a pokračovat dál. Výsledkem je chemická mapa pohybu dusičnanů v krajině téměř v reálném čase.
Nejpozoruhodnější je nejen nápad, ale i jeho přesnost. Při testech byl systém schopen detekovat koncentrace dusičnanů již od 2,5 částic na milion a ve srovnání s laboratorními elektrochemickými metodami dosáhl přesnosti 95 %. V zemědělském odvodňovacím příkopu naměřil dron průměrnou koncentraci 5,39 částic na milion, což je hodnota odpovídající předchozím měřením v této oblasti a nižší než maximální limit 10 částic na milion stanovený pro pitnou vodu v USA. Na to, že zařízení váží jen několik set gramů a je zavěšeno na komerčním dronu, se touto přesností velmi blíží běžnému laboratornímu vybavení.
Tento zdánlivě skromný údaj má hluboký transformační význam. Měření v reálném čase znamená, že zemědělci a manažeři mohou přesně vědět, co se děje po dešti, kde se koncentrují ztráty hnojiv a jak upravit používání dusíku, aby se snížily náklady a škody na životním prostředí. Namísto rovnoměrné aplikace hnojiv na celý pozemek lze identifikovat „ohniska“ ztrát a přizpůsobit dávky, načasování nebo dokonce typ hnojiva. Laboratoř přestává být vzdáleným místem a stává se mobilním, téměř všudypřítomným nástrojem, který dokáže sledovat chemický puls krajiny.
Tento přístup přesně zapadá do takzvaného precizního zemědělství, které kombinuje senzory, satelity, drony a počítačové modely, aby se používaly pouze potřebné vstupy tam, kde a kdy jsou potřeba. Dron, který měří dusičnany za letu, přidává vrstvu informací, které bylo dříve téměř nemožné získat: nejen kolik hnojiva se aplikuje, ale také kolik se ho skutečně ztratí a kam uniká ze zemědělského systému do řek a vodonosných vrstev. Tento rozdíl má zásadní význam pro splnění stále přísnějších environmentálních předpisů, jako je směrnice Evropské unie o dusičnanech, která vyžaduje, aby země monitorovaly a snižovaly rozptýlené znečištění ze zemědělství.
Autoři studie pod vedením Jonathana Claussena zdůrazňují, že tento dron není konečným bodem, ale platformou. Stejnou myšlenku by bylo možné upravit pro detekci bakterií, pesticidů nebo jiných znečišťujících látek, čímž by se koncept precizního zemědělství rozšířil směrem k mnohem jemnějšímu monitorování životního prostředí. Namísto statických map a sporadických odběrů vzorků se tak otevírají dveře dynamickému monitorování, kdy pole a vody „promlouvají“ prostřednictvím dat shromážděných přesně v okamžiku, kdy se něco děje.
Základní technologie to umožňuje. Elektrochemické senzory, které laboratorní dron používá, jsou levné, tisknutelné a přizpůsobitelné. Změnou aktivního povlaku senzoru – části, která „rozpoznává“ konkrétní molekulu – lze navrhnout verze pro detekci fosfátů (další klíčové živiny při eutrofizaci), reziduí pesticidů, těžkých kovů, jako je olovo nebo kadmium, nebo dokonce biologických markerů fekálního znečištění. Prototypy mnoha z těchto sloučenin již existují v oblasti laboratoře na čipu; dalším krokem je jejich integrace do mobilních platforem, jako je tato.
Kromě zemědělství se aplikace množí. Dron s laboratoří na čipu by mohl létat nad zaplavenými oblastmi po hurikánu, aby rychle vyhodnotil kvalitu vody a odhalil úniky odpadních vod nebo toxických látek. Mohl by monitorovat vodní nádrže a městská jezera v létě, kdy vysoké teploty zvyšují riziko výskytu toxických sinic. Nebo by mohl být začleněn do sítí včasného varování v citlivých povodích řek a posílat úřadům téměř živá data, aby předvídaly problémy dříve, než se dostanou k domácímu kohoutku.
Post-disaster inspections just got safer and smarter 🌧️
With steep 300-meter elevation changes, Yasuda Surveying Co., Ltd. uses DJI Zenmuse L2 and Matrice 350 RTK to collect LiDAR data in challenging terrain. pic.twitter.com/qOElwReJWG— DJI Enterprise (@DJIEnterprise) June 15, 2025
Nezanedbatelná je také ekonomická a sociální složka. Tradiční metody testování vody vyžadují vybavené laboratoře, specializovaný personál a řetězce pro přepravu vzorků, které nejsou vždy k dispozici ve venkovských oblastech nebo v zemích s menšími zdroji. Přenosný, relativně levný a snadno ovladatelný systém otevírá zemědělským družstvům, zavlažovacím komunitám nebo dokonce občanským organizacím možnost monitorovat vlastní vodu, aniž by se musely vždy spoléhat na sporadické oficiální kampaně. V kontextu opakujících se such a konfliktů o vodu je spolehlivé a časté získávání údajů cestou ke snížení nejistoty a napětí.
Samozřejmě nejde jen o okamžité výhody. Používání dronů je regulováno a není vždy snadné létat nad určitými oblastmi, zejména v blízkosti kritické infrastruktury nebo městských center. Navíc, i když je senzor levný, dron a čerpací systém jsou stále spojeny s náklady, které mohou být pro velmi malé farmy vysoké. A jako každý měřicí přístroj vyžaduje pravidelnou kalibraci a údržbu, aby byla zajištěna spolehlivá data. Začlenění těchto systémů do oficiálních programů monitorování kvality vody také vyvolává právní otázky: kdo je za údaje odpovědný, jak se ověřují, co se stane, pokud je zjištěno nezákonné vypouštění?
Přesto je trend jasný. V posledních letech se množí projekty kombinující bezpilotní letouny s environmentálními senzory: od multispektrálních kamer, které měří nedostatek vody v plodinách, až po systémy, které odhalují úniky metanu v plynových zařízeních. Dusičnanový laboratorní dron se k této vlně připojuje, ale s důležitým zvratem: nejenže se „dívá“ na povrch, ale fyzicky komunikuje s prostředím, odebírá vzorky a na místě je analyzuje. Jedná se o další krok ve spojení robotiky, analytické chemie a pozemkového hospodářství.
Ve své podstatě tato dronová laboratoř ztělesňuje širší trend současné vědy: miniaturizaci, přibližování a zrychlování. Přeměna složitých technik v přenosné, dokonce létající přístroje, schopné pracovat tam, kam dříve dosáhly jen gumové boty a intuice. A ve světě, kde zemědělství potřebuje produkovat více s menším dopadem, není jen technologickou kuriozitou, ale malým příslibem rovnováhy. Příslib krajiny, kde data proudí stejně rychle jako voda a kde se počítá každá kapka hnojiva, protože konečně víme, kam jde.