Un team di ricercatori della National University of Singapore (NUS) ha recentemente sviluppato una soluzione semplice per affrontare due dei maggiori problemi del mondo:la scarsità d'acqua e la scarsità di cibo. Hanno creato un impianto solare, dispositivo completamente automatizzato chiamato "SmartFarm" che è dotato di un materiale che attrae l'umidità per assorbire l'umidità dell'aria durante la notte quando l'umidità relativa è maggiore, e rilascia acqua quando esposto alla luce solare durante il giorno per l'irrigazione.

SmartFarm ha un altro vantaggio:il processo di raccolta dell'acqua e irrigazione può essere messo a punto per adattarsi a diversi tipi di piante e al clima locale per una coltivazione ottimale. Il materiale igroscopico utilizzato nella SmartFarm è stato precedentemente testato da Hawai'i Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) per la sua applicazione per il controllo dell'umidità per l'agricoltura spaziale.

"L'umidità atmosferica è un'enorme fonte di acqua dolce, ma è rimasta relativamente inesplorata. In questo lavoro, abbiamo cercato di mitigare contemporaneamente la carenza di cibo e acqua. Abbiamo creato un materiale igroscopico a base di rame e l'abbiamo usato per assorbire l'umidità dall'aria. Integriamo quindi questo materiale in un dispositivo a energia solare completamente automatizzato che utilizza l'acqua raccolta per irrigare le piante quotidianamente senza intervento manuale, " ha spiegato il capo progetto assistente professore Tan Swee Ching, che proviene dal Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della NUS.

Questo lavoro è stato pubblicato nell'edizione cartacea della rivista scientifica Materiale avanzato nell'ottobre 2020.

Nuovo idrogel come tecnologia di ancoraggio

Il componente chiave del dispositivo SmartFarm è un idrogel a base di rame appositamente progettato, che è stato prodotto utilizzando un processo economico e che fa risparmiare tempo. Questo materiale è estremamente assorbente, e assorbe umidità fino a tre volte il suo peso. Dopo aver acquisito l'umidità, l'idrogel cambia colore dal marrone al verde scuro e infine al verde chiaro quando è saturo di umidità. Inoltre rilascia rapidamente acqua sotto la luce solare naturale:un grammo di idrogel a base di rame rilascia 2,24 grammi di acqua all'ora.

Il team NUS ha anche testato la qualità dell'acqua raccolta utilizzando l'idrogel a base di rame, e ha scoperto che soddisfa gli standard dell'OMS per l'acqua potabile. Quindi, l'acqua raccolta dall'idrogel a base di rame è adatta per usi potabili e agricoli.

Queste interessanti proprietà lo rendono attraente per l'applicazione nel dispositivo SmartFarm.

Di notte, il coperchio superiore si apre per consentire all'idrogel a base di rame di attirare l'umidità atmosferica. Nel giorno, ad un orario prestabilito, il coperchio superiore si chiude per confinare il vapore acqueo consentendone la condensazione sulla superficie dell'involucro, in particolare sul coperchio superiore. Le goccioline d'acqua si formeranno gradualmente e quando l'umidità immagazzinata nell'idrogel a base di rame sarà completamente rilasciata, il coperchio superiore si apre automaticamente e le gocce d'acqua che vengono rimosse dai tergicristalli paralleli cadono sul terreno per irrigare le piante. Le restanti gocce d'acqua sulle pareti del dispositivo continuano a fornire un ambiente umido per una crescita sana delle piante.

Come prova di concetto, il team NUS ha coltivato con successo Ipomoea aquatica (comunemente noto come kangkong, un ortaggio popolare nel sud-est asiatico) utilizzando il dispositivo SmartFarm.

Asst Prof Tan ha detto, "Il concetto SmartFarm riduce notevolmente la domanda di acqua dolce per l'irritazione ed è adatto per le tecniche di agricoltura urbana come l'agricoltura sui tetti su larga scala. Questo è un significativo passo avanti nell'alleviare la scarsità di acqua e cibo nel prossimo futuro".

"Abbiamo anche stretto una collaborazione con HI-SEAS per sperimentare l'applicazione del nostro idrogel per il controllo dell'umidità nelle camere di crescita delle piante extraterrestri. Speriamo anche di esplorare altre potenziali applicazioni spaziali, " Ha aggiunto.

Coltivare cibo nello spazio

HI-SEAS è una struttura remota situata sui campi di lava del vulcano Mauna Loa delle Hawaii, progettata per simulare missioni di lunga durata sulla Luna e su Marte. Signor Benjamin Greaves, che si è unito alla missione Luna simulata di Selene II in HI-SEAS che si è svolta da novembre a dicembre 2020, ha utilizzato l'idrogel sviluppato dal team NUS per controllare l'umidità in piccole serre sperimentali per coltivare e sostenere colture di piante di girasole microgreen commestibili e crescione montano per gli astronauti della missione.

"Sono perfetti per l'esplorazione dello spazio, perché abbiamo uno spazio molto limitato per coltivare piante lassù, ma questi microgreens sono ancora ricchi di sostanze nutritive, vitamine e minerali, " Ha detto il signor Greaves. Le piante coltivate con idrogel hanno fornito un gradito supplemento fresco al cibo liofilizzato fornito per la maggior parte della missione.

Gli esperimenti HI-SEAS hanno mostrato che gli idrogel sviluppati al NUS offrono un potenziale basso costo, soluzione a basso peso e basso consumo energetico per la coltivazione di colture in aziende agricole autosufficienti.

Nuove funzionalità

Il team NUS prevede che il dispositivo SmartFarm possa essere ulteriormente potenziato con funzionalità aggiuntive prima di passare alla produzione commerciale e su larga scala. Per esempio, una struttura a più livelli potrebbe essere progettata per massimizzare l'utilità degli spazi sui tetti per aumentare la produzione di cibo, e un condensatore raffreddato ad aria potrebbe essere aggiunto al dispositivo se le piante sono sensibili alla temperatura.

Per di più, per evitare giornate nuvolose prolungate, un sistema di riscaldamento potrebbe essere incorporato nel contenitore di idrogel a base di rame per fornire energia termica sufficiente per attivare il processo di rilascio dell'acqua senza luce solare. Inoltre, il dispositivo SmartFarm può incorporare funzionalità di rete wireless per consentire agli utenti di monitorare e controllare il processo di coltivazione tramite smartphone.