Fremtidens smarte farme:Gør bioenergiafgrøder mere miljøvenlige

Landmænd har nok bekymringer - mellem dårligt vejr, stigende omkostninger, og skiftende markedskrav – uden at skulle stresse over deres aktiviteters CO2-fodaftryk. Men nu er et nyt sæt projekter af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), herunder forskere ved Joint BioEnergy Institute (JBEI), kunne gøre landbruget både mere bæredygtigt og mere rentabelt.

De tre projekter, finansieret af det amerikanske energiministerium (DOE), udnytte Berkeley Labs styrker inden for kunstig intelligens, sensorer, og økologisk biologi. De sigter mod at kvantificere og reducere landbrugets kulstofintensitet, herunder opdræt af biobrændstofråvarer såsom majs, soja, og sorghum, samtidig med at udbyttet øges.

Afgrødebaserede biobrændstoffer har potentialet til at dække op til omkring 5% af USA's energibehov, ifølge DOE. To af de nye projekter er en del af SMARTFARM-programmet for DOE's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). Dette initiativ tilstræber at gøre biobrændstofforsyningskæden kulstofnegativ - hvilket betyder, at den fjerner eller opsamler mere kulstof, end den udsender - hvilket i høj grad ville forbedre biobrændstoffets fordele for den bredere økonomi og miljø. Forskere håber også, at den øgede produktivitet vil medføre, at omkostningerne sænkes og landmændenes indkomst øges.

"Hvordan kan vi få denne jord til at fungere for 7 milliarder mennesker?" sagde Michael Schuppenhauer, hvem leder et af projekterne for en industripartner, Arva Intelligence, en startup baseret i Park City, Utah. "Hvis vi kan udvikle en vej for landmænd til at få en bedre bundlinje og hjælpe miljøet, det er der, alle vinder."

Indsamling af enorme mængder data

I det første projekt, forskere ledet af Blake Simmons, direktør for Berkeley Labs afdeling for biologisk og systemteknik (BSE), arbejde med projektleder, Arva Intelligence, vil overvåge fem kommercielle gårde i Californien og Arkansas, der dyrker majs og afgrøder til halm. Gårdene vil blive udstyret med state-of-the-art sensorer til at vurdere gødning, vand, energiforbrug, og afgrødeudbytte, mens overvågningstårne, der er registreret hos DOE's AmeriFlux -netværk, måler emissioner af kuldioxid, nitrogenoxid, og metan i anden opløsning.

Miljø- og emissionspåvirkningerne af biobrændstofproduktion - en af ​​de største forbrugere af kornafgrøder i USA - er velkendte, men emissioner og muligheder for forbedringer på feltniveau er stadig uklare. Arva/Berkeley Lab-teamet er et af fire udvalgt af ARPA-E til at etablere valideringssteder til "ground truth" -løsninger til emissionsovervågning, med en række afgrødearter inkluderet på tværs af holdene.

Berkeley Lab-teamet overvejer anaerob fordøjelse af afgrøderester, som er de dele af planterne, der er tilbage på marken, efter at madafgrøden er blevet høstet, til biogas som en levedygtig vej for landmænd. "Afgrøderester er faktisk den største pulje af let tilgængelig bæredygtig biomasse, som du effektivt kan omdanne til biobrændstoffer og bioprodukter, " sagde Simmons. "Vi kan bruge det som råvare. Så, du producerer mad og brændstof og fiber fra det samme felt og maksimerer kulstofkonverteringseffektiviteten på en hektar-basis. Det er grunden til, ultimativt, Vi mener, at denne vej har en meget bedre øko- og kulstofbalance end andre veje."

Som en del af projektet, Berkeley Lab -forskere vil foretage atmosfærisk registrering af drivhusgasser, genomiske analyser for at karakterisere jordmikrobiomet, og livscyklusanalyse for at bestemme forholdet mellem kulstoftilførsel og output. Feltforsøgene vil generere enorme mængder data. Arva vil bruge dataene til at bygge matematiske modeller og forbedre præcisionslandbrugsalgoritmer til at hjælpe gårde med at blive kulstofneutrale eller endda kulminegative.

"Slutprodukterne ser ikke kun på drivhusgasemissioner, sagde Schuppenhauer, projektets leder for Arva, som også er en BSE -tilknyttet videnskabsmand. "Slutprodukterne vil være ting som:Hvor meget gødning har vi egentlig brug for? Hvis vi kan reducere mængden af ​​gødningsbrug med en halv eller en fjerdedel, som har konsekvenser for brugen af ​​fossile brændstoffer, som det bruges i gødningsproduktion."