Als het gaat om de gezondheid van de planeet, landbouw en voedselproductie spelen een enorme rol. Volgens de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties, ongeveer 37 procent van het land wereldwijd wordt gebruikt voor landbouw en voedselproductie, en 11 procent van het landoppervlak van de aarde wordt specifiek gebruikt voor de productie van gewassen. Het vinden van manieren om de landbouw duurzamer en efficiënter te maken, is niet alleen cruciaal voor het milieu, maar ook voor de wereldwijde voedselvoorziening.

Julia Sokol groeide ver weg van elke boerderij. Geboren in Rusland, Sokol en haar familie verhuisden toen ze 10 jaar oud was naar New York City, waar haar vader voor de Verenigde Naties werkte. Tegenwoordig, echter, Sokol, een doctoraat student werktuigbouwkunde, besteedt veel van haar tijd aan het nadenken over landbouw. De afgelopen twee jaar, Sokol heeft gewerkt aan een druppelirrigatieproject bij MIT's Global Engineering and Research (GEAR) Lab.

Na het behalen van haar bachelor werktuigbouwkunde aan de Harvard University, Sokol bracht enige tijd door in de industrie, eerst als onderzoeksassistent bij Schlumberger, daarna werken bij een klein duurzaamheidsadviesbureau. Op zoek naar een sterkere technische basis, ze solliciteerde naar het MIT voor een graduate school.

Tijdens haar masteropleiding Sokol volgde cursus 2.76 (Global Engineering), die werd gegeven door universitair hoofddocent en hoofdonderzoeker van het GEAR Lab, Amos Winter. Na een interesse in watergerelateerde vraagstukken te hebben ontwikkeld, Sokol maakte van de gelegenheid gebruik om met Winter te werken aan het energie-efficiënte druppelirrigatieproject van het GEAR Lab.

"Ik was heel enthousiast om aan het project mee te doen, ", zegt Sokol. "Het combineert mijn passie voor duurzaamheid perfect met mijn interesse in fundamenteel onderzoek in vloeistofmechanica en systeemontwerp."

In plaats van overstromingsirrigatie - waarbij water uit een bron wordt gepompt om een ​​veld onder water te zetten - heeft druppelirrigatie een centrale pomp die water door een netwerk van leidingen transporteert. Emitters die aan de leidingen zijn bevestigd, geven het water gelijkmatig door het hele veld af, wat resulteert in een hogere gewasopbrengst en minder waterverbruik in vergelijking met irrigatie door overstromingen.

"Het doel van druppelirrigatie is om water te leveren met een stroomsnelheid die laag genoeg is zodat de wortels het onmiddellijk kunnen opnemen, in plaats van dat het verdampt of terugsijpelt naar een watervoerende laag, ", legt Sokol uit.

De emitters die bij druppelirrigatie worden gebruikt, verspreiden het water gelijkmatig, in tegenstelling tot overstromingsirrigatie, waardoor gewassen vaak onder water komen te staan. "Deze druppelaars moeten zorgen voor een uniforme stroomsnelheid over het hele veld, zodat alle gewassen dezelfde hoeveelheid water krijgen. " voegt Susan Amrose toe, een onderzoekswetenschapper bij het GEAR Lab.

Het onderzoeksteam richtte zich eerst op de geometrische kenmerken van deze emitters. Ze ontwikkelden een wiskundig model dat beschrijft hoe de geometrische kenmerken interageren met de membranen erin. Op basis van dit model, ze hebben de emitters geoptimaliseerd om de laagst mogelijke druk te krijgen die nodig is om ervoor te zorgen dat het water met de juiste snelheid naar de gewassen stroomt.

Commerciële vervuilers hebben een minimale activeringsdruk van 1 bar nodig om een ​​constant debiet voor de gewassen te leveren. Dankzij de veranderingen die het team in de zender heeft aangebracht, ze verlaagden de activeringsdruk tot slechts 0,15 bar. Deze verlaging van de druk die nodig is om de druppelaars te activeren, halveerde het vermogen dat nodig is om de centrale pomp te laten werken.

"Het verminderen van de druk verlaagt de totale kosten van het systeem, wat gunstig is voor de boer, en natuurlijk helpt het ook de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, ' zegt Sokol.

Voor off-grid druppelirrigatiesystemen die werken op zonne-energie, het gebruik van de nieuwe vervuilers zou de kosten voor de boer met 40 procent kunnen verlagen. "Voor boeren in ontwikkelingslanden, deze kostenbesparing vermindert de barrière voor een waterbesparende en opbrengstverhogende technologie, ", voegt Amrose toe.

Het team heeft een aantal veldproeven uitgevoerd in Marokko en Jordanië, waar ze samenwerken met NGO-partners en particuliere boeren om de nieuw ontworpen stralers en het geoptimaliseerde irrigatiesysteem te testen.

"Het grootste voordeel van deze veldproeven was hoeveel ons systeem energie en kosten verlaagde en tegelijkertijd een hoge uniformiteit van de stroomsnelheid aan gewassen bood, ", legt Sokol uit.

Volgens Amrose, Sokol heeft een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling en het testen van deze stralers. "Ze brengt het hele pakket mee - ze is een uitstekende ontwerper, ze kan in het veld hardware repareren, en ze is ook ongelooflijk goed in theorie, werken met modellen, ' zegt Amrose.

Sokol en het GEAR Lab-team zullen doorgaan met het verbeteren van het ontwerp van de emitters die zowel de kosten verlagen, hulpbronnen sparen, en de gewasopbrengst te verbeteren.

"De wereldbevolking blijft groeien, dus we hebben een grotere landbouwproductiviteit nodig, " Sokol voegt toe. "Dat is onze focus - om dat te laten gebeuren, vooral in ontwikkelingsgebieden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.