Forbedring af afgrødeudbyttet, samtidig med at ressourcerne spares

Når det kommer til planetens sundhed, landbrug og fødevareproduktion spiller en enorm rolle. Ifølge De Forenede Nationers Fødevare- og Landbrugsorganisation, omkring 37 procent af jorden på verdensplan bruges til landbrug og fødevareproduktion, og 11 procent af Jordens jordoverflade bruges specifikt til afgrødeproduktion. At finde måder at gøre landbruget mere bæredygtigt og effektivt på er afgørende ikke kun for miljøet, men også for den globale fødevareforsyning.

Julia Sokol voksede op langt væk fra enhver gård. Født i Rusland, Sokol og hendes familie flyttede, da hun var 10 år gammel, til New York City, hvor hendes far arbejdede for FN. Disse dage, imidlertid, Sokol, en ph.d. studerende i maskinteknik, bruger meget af sin tid på at tænke på landbruget. I de sidste to år, Sokol har arbejdet på et drypvandingsprojekt på MIT's Global Engineering and Research (GEAR) Lab.

Efter at have modtaget sin bachelor i maskinteknik ved Harvard University, Sokol tilbragte nogen tid i industrien, først som forskningsassistent hos Schlumberger, arbejdede derefter hos et lille bæredygtighedskonsulentfirma. Ønsker et stærkere teknisk fundament, hun søgte ind på MIT for at få en kandidatskole.

I løbet af hendes kandidatuddannelse, Sokol tog kursus 2.76 (Global Engineering), som blev undervist af lektor og hovedefterforsker af GEAR Lab, Amos Winter. Efter at have udviklet en interesse for vandrelaterede problemer, Sokol kastede sig over muligheden for at arbejde sammen med Winter på GEAR Labs energieffektive drypvandingsprojekt.

"Jeg var virkelig spændt på at deltage i projektet, " siger Sokol. "Den kombinerer perfekt min passion for bæredygtighed med min interesse for fundamental forskning i væskemekanik og systemdesign."

I stedet for oversvømmelsesvanding - hvor vand pumpes fra en kilde for at oversvømme en mark - har drypvanding en central pumpe, der flytter vand gennem et netværk af rør. Emittere fastgjort til rørene frigiver vand ensartet over hele marken, hvilket resulterer i højere afgrødeudbytte og mindre vandforbrug sammenlignet med oversvømmelsesvanding.

"Målet med drypvanding er at give vand med en lav nok strømningshastighed til, at rødderne faktisk begynder at absorbere det med det samme, i stedet for at det fordamper eller perkolerer tilbage til en grundvandsmagasin, " forklarer Sokol.

De emittere, der bruges til drypvanding, spreder vandet jævnt, i modsætning til oversvømmelsesvanding, hvilket ofte får afgrøder til at blive vandtætte. "Disse drypemittere skal give en ensartet strømningshastighed i hele marken, så alle afgrøder får den samme mængde vand, " tilføjer Susan Amrose, en forsker ved GEAR Lab.

Forskerholdet fokuserede først på de geometriske træk ved disse emittere. De udviklede en matematisk model, der beskriver, hvordan de geometriske træk interagerer med membranerne inde i dem. Baseret på denne model, de optimerede emitterne for at få det lavest mulige tryk, der kræves for at sikre, at vandet strømmer til afgrøder med den rigtige hastighed.

Kommercielle emittere kræver et minimum aktiveringstryk på 1 bar for at give en konstant flowhastighed for afgrøderne. Takket være de ændringer, holdet har foretaget inde i emitteren, de sænkede aktiveringstrykket til kun 0,15 bar. Denne reduktion i det nødvendige tryk for at aktivere drypperne halverede den nødvendige effekt til at betjene den centrale pumpe.

"At reducere trykket sænker omkostningerne ved systemet generelt, hvilket er til gavn for landmanden, og det hjælper selvfølgelig også med at reducere drivhusgasemissioner, " siger Sokol.

For off-grid drypvandingssystemer, der fungerer via solenergi, brugen af ​​de nye emittere kan reducere omkostningerne for landmanden med 40 procent. "For landmænd i udviklingslande, denne omkostningsbesparelse reducerer barrieren for en vandbesparende og udbytteøgende teknologi, " tilføjer Amrose.

Holdet har gennemført en række feltforsøg i Marokko og Jordan, hvor de samarbejder med NGO-partnere og private landmænd for at teste de nydesignede emittere og optimerede kunstvandingssystem.

"Det største udbytte fra disse feltforsøg var, hvor meget vores system reducerede energi og omkostninger, samtidig med at det gav høj ensartet flowhastighed til afgrøder, " forklarer Sokol.

Ifølge Amrose, Sokol har været medvirkende til udvikling og test af disse emittere. "Hun kommer med hele pakken - hun er en fremragende designer, hun kan være i marken og reparere hardware, og hun er også utrolig god teoretisk, arbejde med modeller, " siger Amrose.

Sokol og GEAR Lab-teamet vil fortsætte med at lave forbedringer af designet af emitterne, der både reducerer omkostningerne, spare ressourcer, og forbedre afgrødeudbyttet.

"Den globale befolkning bliver ved med at vokse, så vi har brug for større landbrugsproduktivitet, " Sokol tilføjer. "Det er vores fokus - at få det til at ske, især i udviklingsområder."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.