Muitas fazendas em regiões propensas à seca dos EUA dependem da irrigação por gotejamento como um método de economia de água para o cultivo. Esses sistemas bombeiam água por meio de tubos longos e finos que se estendem pelos campos agrícolas. Centenas de gotejadores do tamanho de uma moeda de dez centavos ao longo de cada tubo gotejam água diretamente na base da planta. Um agricultor pode controlar o tempo e a quantidade de rega, entregando apenas a quantidade de água necessária para uma cultura.

A irrigação por gotejamento pode reduzir o consumo de água de uma fazenda em até 60 por cento e aumentar o rendimento da safra em 90 por cento, em comparação com os métodos convencionais de irrigação. Mas esses sistemas são caros, particularmente em ambientes fora da rede, onde custam aos agricultores mais de US $ 3, 000 por acre para instalar.

Agora, os engenheiros do MIT encontraram uma maneira de cortar o custo dos sistemas de gotejamento movidos a energia solar pela metade, otimizando os gotejadores. Além disso, esses novos gotejadores podem reduzir pela metade a potência de bombeamento necessária para irrigar, reduzindo as contas de energia para os agricultores. A equipe modificou as dimensões dos gotejadores de forma a reduzir significativamente a pressão necessária para bombear água por todo o sistema, ao mesmo tempo que fornece a mesma quantidade de água.

O time, liderado por Amos Winter, um professor assistente de engenharia mecânica, planeja modificar ainda mais o sistema upstream, otimizar a tubulação, filtros, bombas, e sistema de energia solar para tornar a irrigação por gotejamento acessível para agricultores em regiões em desenvolvimento do mundo.

"Muitos pequenos agricultores na Índia ganham apenas algumas centenas de dólares por ano, então, um sistema de irrigação por gotejamento está muito fora de seu preço, "Amos diz." Sistemas de gotejamento de baixo custo podem ajudá-los a aumentar seu rendimento e receita, para que possam sair do ciclo da pobreza. "

A equipe publicou sua teoria de engenharia sobre o projeto de gotejadores em PLOS One . Os co-autores do artigo são o autor principal e estudante de graduação Pulkit Shamshery, ex-pós-doutorado do MIT Ruo-Qian Wang, e graduado Davis Tran.

"A bala de prata"

Hoje, agricultores na Índia e em outras partes em desenvolvimento do mundo cultivam principalmente plantações usando irrigação por inundação, um velho, método de baixa tecnologia que envolve campos de inundação com rios ou águas subterrâneas redirecionadas. Embora esse método seja barato, os agricultores têm pouco controle sobre quando e quanto regar suas plantações. A irrigação por inundação também é ineficiente, já que a maior parte da água não absorvida pelas plantas evapora ou é drenada.

"A bala de prata aqui é a irrigação por gotejamento ... mas é exorbitante, "Diz o inverno." O principal fator de custo é a bomba e o sistema de energia. Isso lançou a base para nosso projeto de pesquisa:poderíamos fazer gotejadores que operassem em pressões muito mais baixas, e assim cortar o poder de bombeamento e os custos de capital? "

Para fazer isso, os pesquisadores começaram a caracterizar o comportamento dos gotejadores de "compensação de pressão" existentes - gotejadores projetados para manter uma taxa de fluxo constante, independentemente da pressão inicial da água aplicada. Tal recurso permite que cada gotejador ao longo de um tubo entregue o mesmo fluxo de água em todo o campo agrícola, independentemente da distância de um gotejador individual da bomba central.

A maioria dos sistemas convencionais de irrigação por gotejamento são projetados para operar os gotejadores a uma pressão de pelo menos 1 bar. Manter essa pressão requer energia, que constitui a principal despesa de capital em sistemas de irrigação por gotejamento fora da rede, e o principal custo recorrente em sistemas na rede. Winter e Shamshery pretendiam projetar gotejadores com compensação de pressão para operar a 0,1 bar - um décimo da pressão dos sistemas comerciais. Essa redução pode reduzir pela metade a energia necessária para bombear água pelos gotejadores e o custo de capital de um sistema de gotejamento fora da rede.

Gotejamento em evolução

A equipe começou a caracterizar os recursos em gotejadores que produzem um efeito de compensação de pressão. Para fazer isso, eles primeiro geraram um modelo de um gotejador de compensação de pressão convencional em MatLab, um programa de computação numérica que permite aos pesquisadores alterar as dimensões de um modelo para produzir uma mudança no comportamento. Nesse caso, Shamshery estudou a dinâmica da água fluindo através do gotejador modelado, e então veio com uma descrição matemática para explicar como as características internas de um gotejador afetam o fluxo do fluido e a pressão da água.

Shamshery então acoplou o modelo matemático a um algoritmo genético - um programa de computador que simula a evolução de, nesse caso, vários parâmetros em um gotejador. Por exemplo, a equipe selecionou uma gama de dimensões para determinados recursos e testou seu comportamento de fluxo na simulação. Eles descartaram aquelas dimensões que produziam pressão de água indesejável, e manteve os melhores desempenhos, que eles realimentaram o algoritmo com um novo conjunto de dimensões.

"Deixamos isso evoluir por várias gerações, "Shamshery explica." Você acaba expressando os recursos e geometrias que proporcionam um bom desempenho, e você elimina os recursos que geram um desempenho ruim. "

Eles desenvolveram as dimensões do gotejador para uma geometria que produzia uma taxa de fluxo ideal com uma pressão inicial de até 0,15 bar. Usando essas dimensões ideais, a equipe fabricou alguns protótipos de gotejadores e os testou em laboratório, com resultados que correspondiam às suas simulações.

Indo solar

Winter agora está trabalhando com a Agência dos Estados Unidos para o Desenvolvimento Internacional (USAID) e a Jain Irrigation, um grande fabricante de sistemas de irrigação por gotejamento, para testar os gotejadores otimizados no Marrocos e na Jordânia, onde ele diz que há um impulso para mudar os agricultores para a irrigação por gotejamento.

"Com estes gotejadores, agricultores pobres agora podem cultivar safras de alto valor, como safras fora da estação que eles não poderiam cultivar a menos que houvesse chuva, e ganhar mais dinheiro para tentar sair da pobreza, "Diz o inverno." Em lugares como a Califórnia, com um histórico de apagões, isso significa não apenas menos consumo de água, mas menos energia [usada] para a agricultura. "

Próximo, a equipe planeja otimizar o resto do sistema de irrigação por gotejamento, o que reduzirá ainda mais o custo do sistema. Os pesquisadores vão pilotar sistemas de irrigação por gotejamento movidos a energia solar na Jordânia e no Marrocos com a USAID nos próximos dois anos.

"Acontece que existe um enorme mercado inexplorado em situações fora da rede, "Winter diz." Se você olhar para o mundo em desenvolvimento, existem cerca de meio bilhão de pequenas fazendas com 2,5 bilhões de pessoas. Para eles, esta tecnologia pode ser uma virada de jogo. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.