Een team van onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) heeft onlangs een eenvoudige oplossing ontwikkeld om twee van 's werelds grootste problemen aan te pakken:waterschaarste en voedseltekort. Ze creëerden een op zonne-energie volledig geautomatiseerd apparaat genaamd "SmartFarm" dat is uitgerust met een vochtaantrekkend materiaal om 's nachts luchtvochtigheid op te nemen wanneer de relatieve vochtigheid hoger is, en geeft water af wanneer het overdag wordt blootgesteld aan zonlicht voor irrigatie.

SmartFarm heeft nog een ander voordeel:het waterwinnings- en irrigatieproces kan worden afgestemd op verschillende soorten planten en het lokale klimaat voor een optimale teelt. Het hygroscopische materiaal dat in de SmartFarm wordt gebruikt, is eerder getest door Hawai'i Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) voor zijn toepassing voor vochtigheidsregeling voor ruimtelandbouw.

"Vochtigheid in de lucht is een enorme bron van zoet water, maar het is relatief onontgonnen gebleven. In dit werk, we hebben geprobeerd tegelijkertijd het voedsel- en watertekort te verminderen. We hebben een hygroscopisch materiaal op koperbasis gemaakt en gebruikt om vocht uit de lucht te halen. Vervolgens integreren we dit materiaal in een volledig geautomatiseerd door zonne-energie aangedreven apparaat dat het geoogste water gebruikt om planten dagelijks te irrigeren zonder handmatige tussenkomst, ", legt projectleider Universitair Docent Tan Swee Ching uit, die van de afdeling Materials Science and Engineering aan de NUS is.

Dit werk is gepubliceerd in de gedrukte editie van wetenschappelijk tijdschrift Geavanceerde materialen in oktober 2020.

Nieuwe hydrogel als ankertechnologie

Het belangrijkste onderdeel van het SmartFarm-apparaat is een speciaal ontworpen hydrogel op koperbasis, die werd geproduceerd met behulp van een economisch en tijdbesparend proces. Dit materiaal is extreem absorberend, en neemt tot drie keer zijn gewicht vocht op. Na het verkrijgen van vocht, de hydrogel verandert van kleur van bruin naar donkergroen en uiteindelijk naar lichtgroen als hij verzadigd is met vocht. Het geeft ook snel water af onder natuurlijk zonlicht - één gram van de op koper gebaseerde hydrogel geeft 2,24 gram water per uur af.

Het NUS-team testte ook de kwaliteit van het water dat werd opgevangen met behulp van de op koper gebaseerde hydrogel, en ontdekte dat het voldoet aan de normen van de WHO voor drinkwater. Vandaar, het water dat wordt opgevangen door de op koper gebaseerde hydrogel is geschikt voor drink- en landbouwdoeleinden.

Deze interessante eigenschappen maken het aantrekkelijk voor toepassing in het SmartFarm-apparaat.

's Nachts, de bovenklep gaat open zodat de op koper gebaseerde hydrogel luchtvochtigheid kan aantrekken. In de dag, op een vooraf ingesteld tijdstip, de bovenklep sluit om de waterdamp op te sluiten, waardoor deze kan worden gecondenseerd op het oppervlak van de behuizing, vooral op de bovenklep. Waterdruppels zullen geleidelijk worden gevormd en wanneer het vocht dat is opgeslagen in de op koper gebaseerde hydrogel volledig wordt vrijgegeven, de bovenklep gaat automatisch open en waterdruppels die door de parallelle wissers worden weggeveegd, vallen op de grond om de planten te irrigeren. De resterende waterdruppels op de wanden van het apparaat blijven zorgen voor een vochtige omgeving voor een gezonde plantengroei.

Als proof-of-concept, het NUS-team heeft met succes Ipomoea aquatica (algemeen bekend als kangkong, een populaire groente in Zuidoost-Azië) met behulp van het SmartFarm-apparaat.

Asst Prof Tan zei, "Het SmartFarm-concept vermindert de vraag naar zoetwater voor irritatie aanzienlijk en is geschikt voor stadslandbouwtechnieken zoals grootschalige daklandbouw. ​​Dit is een belangrijke stap voorwaarts in het verminderen van water- en voedselschaarste in de nabije toekomst."

"We zijn ook een samenwerking aangegaan met HI-SEAS om te experimenteren met de toepassing van onze hydrogel voor vochtigheidscontrole in buitenaardse plantengroeikamers. We hopen ook andere potentiële ruimtetoepassingen te onderzoeken, " hij voegde toe.

Voedsel kweken in de ruimte

HI-SEAS is een afgelegen faciliteit op de lavavelden van de Mauna Loa-vulkaan in Hawaï en is ontworpen om langdurige missies naar de maan en Mars te simuleren. Meneer Benjamin Greaves, die zich aansloot bij de Selene II gesimuleerde maanmissie bij HI-SEAS die plaatsvond van november tot december 2020, gebruikte de hydrogel ontwikkeld door het NUS-team om de vochtigheid in kleine experimentele kassen te regelen om gewassen van eetbare microgroene zonnebloemplanten en hooggelegen tuinkers te telen en te ondersteunen voor de missie-astronauten.

"Deze zijn perfect voor verkenning van de ruimte, omdat we daar een zeer beperkte ruimte hebben om planten te kweken, maar deze microgroenten zitten nog steeds boordevol voedingsstoffen, vitamines en mineralen, "Meneer Greaves. De met hydrogel gekweekte planten vormden een welkome verse aanvulling op het gevriesdroogde voedsel dat voor het grootste deel van de missie werd geleverd.

De HI-SEAS-experimenten toonden aan dat de bij NUS ontwikkelde hydrogels potentiële lage kosten bieden, oplossing met laag gewicht en laag energieverbruik voor het verbouwen van gewassen in zelfvoorzienende boerderijen.

Nieuwe functionaliteiten

Het NUS-team voorziet dat het SmartFarm-apparaat verder kan worden uitgebreid met extra functionaliteiten voordat het overgaat op grootschalige en commerciële productie. Bijvoorbeeld, een structuur met meerdere lagen zou kunnen worden ontworpen om het nut van dakruimtes te maximaliseren om de voedselproductie te verhogen, en een luchtgekoelde condensor kan aan het apparaat worden toegevoegd als de planten gevoelig zijn voor temperatuur.

Verder, beschermen tegen langdurige bewolkte dagen, een verwarmingssysteem zou kunnen worden ingebed in de container van op koper gebaseerde hydrogel om voldoende thermische energie te leveren om het waterafgifteproces zonder zonlicht te activeren. In aanvulling, het SmartFarm-apparaat kan draadloze netwerkmogelijkheden bevatten, zodat gebruikers het teeltproces kunnen volgen en besturen met behulp van smartphones.