Molte fattorie nelle regioni degli Stati Uniti soggette a siccità si affidano all'irrigazione a goccia come metodo di risparmio idrico per coltivare i raccolti. Questi sistemi pompano l'acqua attraverso tubi lunghi e sottili che si estendono attraverso i campi agricoli. Centinaia di gocciolatori delle dimensioni di una monetina lungo la lunghezza di ogni tubo gocciolano l'acqua direttamente sulla base di una pianta. Un agricoltore può controllare i tempi e la quantità di irrigazione, erogando solo la quantità d'acqua richiesta da una coltura.

L'irrigazione a goccia può ridurre il consumo di acqua di un'azienda agricola fino al 60 percento e aumentare la resa delle colture del 90 percento, rispetto ai tradizionali metodi di irrigazione. Ma questi sistemi sono costosi, in particolare in ambienti off-grid dove costano agli agricoltori più di $ 3, 000 per acro da installare.

Ora gli ingegneri del MIT hanno trovato un modo per dimezzare il costo dei sistemi a goccia a energia solare, ottimizzando i gocciolatori. Per di più, questi nuovi gocciolatori possono dimezzare la potenza di pompaggio necessaria per irrigare, riduzione della bolletta energetica per gli agricoltori. Il team ha modificato le dimensioni dei gocciolatori in modo da ridurre significativamente la pressione necessaria per pompare l'acqua attraverso l'intero sistema, pur continuando a erogare la stessa quantità di acqua.

Il gruppo, guidato da Amos Winter, un assistente professore di ingegneria meccanica, prevede di modificare ulteriormente il sistema a monte, ottimizzando la tubazione, filtri, pompe, e il sistema di energia solare per rendere l'irrigazione a goccia accessibile agli agricoltori nelle regioni in via di sviluppo del mondo.

"Molti piccoli agricoltori in India guadagnano solo poche centinaia di dollari l'anno, quindi un sistema di irrigazione a goccia è molto al di fuori del loro prezzo, " Amos dice. "I sistemi a goccia a basso costo potrebbero aiutarli ad aumentare la loro resa e reddito, in modo che possano uscire dal ciclo della povertà".

Il team ha pubblicato la sua teoria ingegneristica sul design del gocciolatore in PLOS One . I coautori del documento sono l'autore principale e lo studente laureato Pulkit Shamshery, l'ex postdoc del MIT Ruo-Qian Wang, e lo studente universitario Davis Tran.

"Il proiettile d'argento"

Oggi, gli agricoltori in India e in altre parti in via di sviluppo del mondo coltivano principalmente colture utilizzando l'irrigazione a inondazione, un antico, metodo a bassa tecnologia che prevede l'allagamento dei campi con il fiume o le acque sotterranee reindirizzate. Sebbene questo metodo sia poco costoso, gli agricoltori hanno poco controllo su quando e quanto innaffiare i loro raccolti. Anche l'irrigazione a piena è inefficiente, poiché la maggior parte dell'acqua non assorbita dalle piante evapora o defluisce.

"Il proiettile d'argento qui è l'irrigazione a goccia... ma è esorbitantemente costosa, " Winter dice. "Il principale fattore di costo è la pompa e il sistema di alimentazione. Questo ha gettato le basi per il nostro progetto di ricerca:potremmo realizzare gocciolatori che funzionino a pressioni molto più basse, e quindi tagliare la potenza di pompaggio e i costi di capitale?"

Per fare questo, i ricercatori si sono proposti di caratterizzare il comportamento dei gocciolatori esistenti "a compensazione di pressione", cioè gocciolatori progettati per mantenere una portata costante, indipendentemente dalla pressione dell'acqua iniziale applicata. Tale caratteristica consente a ogni gocciolatore lungo un tubo di fornire lo stesso flusso d'acqua in un campo agricolo, indipendentemente dalla distanza di un singolo gocciolatore dalla pompa centrale.

La maggior parte dei sistemi di irrigazione a goccia convenzionali sono progettati per far funzionare i gocciolatori ad una pressione di almeno 1 bar. Per mantenere questa pressione è necessaria energia, che costituisce la principale spesa in conto capitale nei sistemi di irrigazione a goccia off-grid, e il principale costo ricorrente nei sistemi on-grid. Winter e Shamshery miravano a progettare gocciolatori autocompensanti per operare a 0,1 bar, un decimo della pressione dei sistemi commerciali. Questa riduzione può dimezzare sia la potenza richiesta per pompare l'acqua attraverso i gocciolatori sia il costo di capitale di un sistema di gocciolamento off-grid.

Gocciolamento in evoluzione

Il team ha deciso di caratterizzare le caratteristiche dei gocciolatori che producono un effetto di compensazione della pressione. Per fare questo, hanno prima generato un modello di un gocciolatore convenzionale con compensazione della pressione in MatLab, un programma di calcolo numerico che consente ai ricercatori di modificare le dimensioni di un modello per produrre un cambiamento nel comportamento. In questo caso, Shamshery ha studiato la dinamica dell'acqua che scorre attraverso il gocciolatore modellato, e poi ha fornito una descrizione matematica per spiegare come le caratteristiche interne di un gocciolatore influenzino il flusso del fluido e la pressione dell'acqua.

Shamshery ha quindi accoppiato il modello matematico con un algoritmo genetico, un programma per computer che simula l'evoluzione di, in questo caso, vari parametri in un gocciolatore. Ad esempio, il team ha selezionato una gamma di dimensioni per determinate caratteristiche e ha testato il loro comportamento di flusso in simulazione. Hanno scartato quelle dimensioni che producevano una pressione dell'acqua indesiderabile, e mantenuto i migliori interpreti, che hanno reintrodotto nell'algoritmo con un nuovo set di dimensioni.

"Lasciamo che questo si evolva attraverso più generazioni, " Shamshery spiega. "Si finisce per esprimere le caratteristiche e le geometrie che ti danno buone prestazioni, e uccidi le funzionalità che ti danno cattive prestazioni."

Hanno evoluto le dimensioni del gocciolatore in una geometria che ha prodotto una portata ottimale con una pressione iniziale di appena 0,15 bar. Utilizzando queste dimensioni ottimali, il team ha fabbricato alcuni prototipi di gocciolatori e li ha testati in laboratorio, con risultati che corrispondevano alle loro simulazioni.

Diventare solare

Winter sta ora lavorando con l'Agenzia degli Stati Uniti per lo sviluppo internazionale (USAID) e Jain Irrigation, un importante produttore di sistemi di irrigazione a goccia, per testare i gocciolatori ottimizzati in Marocco e Giordania, dove dice che c'è una spinta per spostare gli agricoltori verso l'irrigazione a goccia.

"Con questi gocciolatori, i contadini poveri possono ora coltivare colture di maggior valore, come i raccolti fuori stagione che non potevano coltivare a meno che non piovesse, e fare più soldi per cercare di uscire dalla povertà, " Winter dice. "In posti come la California, con una storia di blackout, questo significa non solo un minor consumo di acqua, ma meno energia [usata] per l'agricoltura."

Prossimo, il team prevede di ottimizzare il resto del sistema di irrigazione a goccia, che ridurrà ulteriormente il costo del sistema. I ricercatori piloteranno i sistemi di irrigazione a goccia ad energia solare in Giordania e Marocco con USAID nei prossimi due anni.

"Si scopre che c'è un enorme mercato non sfruttato in situazioni off-grid, " dice Winter. "Se si guarda al mondo in via di sviluppo, ci sono circa mezzo miliardo di piccole aziende agricole con 2,5 miliardi di persone. Per loro, questa tecnologia potrebbe essere un punto di svolta".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.