Muchas granjas en regiones propensas a la sequía de los EE. UU. Dependen del riego por goteo como método de ahorro de agua para cultivar. Estos sistemas bombean agua a través de tubos largos y delgados que se extienden por los campos agrícolas. Cientos de goteros del tamaño de una moneda de diez centavos a lo largo de cada tubo hacen que el agua gotee directamente sobre la base de la planta. Un agricultor puede controlar el momento y la cantidad de riego, entregando solo la cantidad de agua que requiere un cultivo.

El riego por goteo puede reducir el consumo de agua de una granja hasta en un 60 por ciento y aumentar el rendimiento de los cultivos en un 90 por ciento. en comparación con los métodos de riego convencionales. Pero estos sistemas son caros, particularmente en entornos fuera de la red donde cuestan a los agricultores más de $ 3, 000 por acre para instalar.

Ahora, los ingenieros del MIT han encontrado una manera de reducir a la mitad el costo de los sistemas de goteo alimentados por energía solar. optimizando los goteros. Es más, Estos nuevos goteros pueden reducir a la mitad la potencia de bombeo necesaria para regar, reducir las facturas de energía para los agricultores. El equipo modificó las dimensiones de los goteros de una manera que reduce significativamente la presión requerida para bombear agua a través de todo el sistema. sin dejar de entregar la misma cantidad de agua.

El equipo, dirigido por Amos Winter, un profesor asistente de ingeniería mecánica, planea modificar aún más el sistema aguas arriba, optimizando la tubería, filtros, zapatillas, y sistema de energía solar para, en última instancia, hacer que el riego por goteo sea asequible para los agricultores de las regiones en desarrollo del mundo.

"Muchos pequeños agricultores de la India ganan sólo unos pocos cientos de dólares al año, por lo que un sistema de riego por goteo está muy por fuera de su precio, ", Dice Amos." Los sistemas de goteo de bajo costo podrían ayudarlos a aumentar su rendimiento e ingresos, para que puedan salir del ciclo de la pobreza ".

El equipo ha publicado su teoría de ingeniería sobre el diseño de goteros en Más uno . Los coautores del artículo son el autor principal y estudiante de posgrado Pulkit Shamshery, ex postdoctorado del MIT Ruo-Qian Wang, y el estudiante de pregrado Davis Tran.

"La bala de plata"

Hoy dia, los agricultores de la India y de otras partes del mundo en desarrollo cultivan principalmente con riego por inundación, un antiguo, Método de baja tecnología que implica la inundación de campos con agua de río o subterránea redirigida. Si bien este método es económico, los agricultores tienen poco control sobre cuándo y cuánto regar sus cultivos. El riego por inundación también es ineficiente, ya que la mayor parte del agua que no absorben las plantas se evapora o se escurre.

"La solución milagrosa aquí es el riego por goteo ... pero es exorbitantemente caro, Winter dice:“El principal factor de costo es la bomba y el sistema de energía. Eso sentó las bases de nuestro proyecto de investigación:¿Podríamos fabricar goteros que funcionen a presiones mucho más bajas, y así recortar la potencia de bombeo y los costes de capital? "

Para hacer esto, los investigadores se propusieron caracterizar el comportamiento de los goteros "compensadores de presión" existentes:goteros diseñados para mantener un caudal constante, independientemente de la presión de agua inicial que se aplique. Esta característica permite que cada gotero a lo largo de un tubo entregue el mismo flujo de agua en todo el campo agrícola, independientemente de qué tan lejos esté un gotero individual de la bomba central.

La mayoría de los sistemas de riego por goteo convencionales están diseñados para operar los goteros a una presión de al menos 1 bar. Mantener esta presión requiere energía, que constituye el principal gasto de capital en los sistemas de riego por goteo fuera de la red, y el principal costo recurrente en los sistemas conectados a la red. Winter y Shamshery tenían como objetivo diseñar goteros con compensación de presión para operar a 0,1 bar, una décima parte de la presión de los sistemas comerciales. Esta reducción puede reducir a la mitad tanto la energía requerida para bombear agua a través de los goteros como el costo de capital de un sistema de goteo fuera de la red.

Goteo en evolución

El equipo se propuso caracterizar las características de los goteros que producen un efecto de compensación de presión. Para hacer esto, Primero generaron un modelo de un gotero compensador de presión convencional en MatLab, un programa de computación numérica que permite a los investigadores cambiar las dimensiones de un modelo para producir un cambio en el comportamiento. En este caso, Shamshery estudió la dinámica del agua que fluye a través del gotero modelado, y luego se le ocurrió una descripción matemática para explicar cómo las características internas de un gotero afectan el flujo de fluido y la presión del agua.

Shamshery luego combinó el modelo matemático con un algoritmo genético, un programa de computadora que simula la evolución de, en este caso, varios parámetros en un gotero. Por ejemplo, el equipo seleccionó un rango de dimensiones para ciertas características y probó su comportamiento de flujo en simulación. Descartaron aquellas dimensiones que producían una presión de agua indeseable, y mantuvo a los mejores intérpretes, que retroalimentaron en el algoritmo con un nuevo conjunto de dimensiones.

"Dejamos que esto evolucione a lo largo de varias generaciones, "Explica Shamshery." Terminas expresando las características y geometrías que te dan un buen rendimiento, y eliminas las funciones que te dan un mal rendimiento ".

Evolucionaron las dimensiones del gotero a una geometría que producía un caudal óptimo con una presión inicial tan baja como 0,15 bar. Usando estas dimensiones óptimas, el equipo fabricó algunos prototipos de goteros y los probó en el laboratorio, con resultados que coincidieron con sus simulaciones.

Ir solar

Winter ahora está trabajando con la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID) y Jain Irrigation, un importante fabricante de sistemas de riego por goteo, para probar los goteros optimizados en Marruecos y Jordania, donde dice que hay un impulso para cambiar a los agricultores al riego por goteo.

"Con estos goteros, los agricultores pobres ahora pueden producir cultivos de mayor valor, como cultivos fuera de temporada que no podrían cultivar a menos que llueva, y ganar más dinero para intentar salir de la pobreza, "Dice Winter". En lugares como California, con un historial de apagones, esto significa no solo un menor consumo de agua, pero menos energía [utilizada] para la agricultura ".

Próximo, el equipo planea optimizar el resto del sistema de riego por goteo, lo que reducirá aún más el costo del sistema. Los investigadores probarán sistemas de riego por goteo con energía solar en Jordania y Marruecos con USAID en los próximos dos años.

"Resulta que hay un enorme mercado sin explotar en situaciones fuera de la red, Winter dice. Si miras al mundo en desarrollo, hay alrededor de 500 millones de pequeñas explotaciones agrícolas con 2500 millones de habitantes. Para ellos, esta tecnología podría cambiar las reglas del juego ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.