Veel boerderijen in droogtegevoelige regio's van de VS vertrouwen op druppelirrigatie als een waterbesparende methode om gewassen te verbouwen. Deze systemen pompen water door lange dunne buizen die zich uitstrekken over akkers. Honderden druppelaars ter grootte van een dubbeltje langs de lengte van elke buis druppelen water rechtstreeks op de basis van een plant. Een boer kan het tijdstip en de hoeveelheid water geven, het leveren van slechts zoveel water als een gewas nodig heeft.

Druppelirrigatie kan het waterverbruik van een boerderij met maar liefst 60 procent verminderen en de gewasopbrengst met 90 procent verhogen, vergeleken met conventionele irrigatiemethoden. Maar deze systemen zijn duur, vooral in off-grid omgevingen waar ze boeren meer dan $ 3 kosten, 000 per hectare te installeren.

Nu hebben ingenieurs van MIT een manier gevonden om de kosten van druppelsystemen op zonne-energie te halveren, door de druppelaars te optimaliseren. Verder, deze nieuwe druppelaars kunnen de pompkracht die nodig is om te irrigeren halveren, verlaging van de energierekening voor boeren. Het team heeft de afmetingen van de druppelaars zodanig aangepast dat de druk die nodig is om water door het hele systeem te pompen, aanzienlijk wordt verminderd. terwijl u nog steeds dezelfde hoeveelheid water levert.

Het team, onder leiding van Amos Winter, een assistent-professor werktuigbouwkunde, plannen om het systeem stroomopwaarts verder aan te passen, het optimaliseren van de leidingen, filters, pompen, en zonne-energiesysteem om uiteindelijk druppelirrigatie betaalbaar te maken voor boeren in ontwikkelingsregio's van de wereld.

"Veel kleine boeren in India verdienen maar een paar honderd dollar per jaar, dus een druppelirrigatiesysteem is ver buiten hun prijsklasse, "Amos zegt. "Goedkope druppelsystemen kunnen hen helpen hun opbrengst en inkomen te verhogen, zodat ze uit de cirkel van armoede kunnen komen."

Het team heeft zijn technische theorie over het ontwerp van druppelaars gepubliceerd in: PLOS One . De co-auteurs van het artikel zijn hoofdauteur en afgestudeerde student Pulkit Shamshery, voormalig MIT-postdoc Ruo-Qian Wang, en niet-gegradueerde Davis Tran.

"De zilveren kogel"

Vandaag, boeren in India en andere zich ontwikkelende delen van de wereld verbouwen voornamelijk gewassen met behulp van overstromingsirrigatie, een eeuwenoude, low-tech methode waarbij velden worden overstroomd met omgeleid rivier- of grondwater. Hoewel deze methode niet duur is, boeren hebben weinig controle over wanneer en hoeveel ze hun gewassen water geven. Overstromingsirrigatie is ook inefficiënt, omdat het meeste water dat niet door planten wordt opgenomen, verdampt of wegvloeit.

"De zilveren kogel hier is druppelirrigatie ... maar het is exorbitant duur, Winter zegt. "De belangrijkste kostenfactor is de pomp en het stroomsysteem. Dat legde de basis voor ons onderzoeksproject:Kunnen we druppelaars maken die op veel lagere drukken werken, en dus de pompkracht en de kapitaalkosten verlagen?"

Om dit te doen, de onderzoekers wilden het gedrag van bestaande "drukcompenserende" druppelaars karakteriseren - druppelaars die zijn ontworpen om een ​​constant debiet te behouden, ongeacht de aanvankelijke waterdruk die wordt toegepast. Met een dergelijke functie kan elke druppelaar langs een buis dezelfde waterstroom door een landbouwveld leveren, ongeacht hoe ver een individuele druppelaar van de centrale pomp verwijderd is.

De meeste conventionele druppelirrigatiesystemen zijn ontworpen om de druppelaars te laten werken op een druk van minimaal 1 bar. Om deze druk te handhaven is energie nodig, die de belangrijkste kapitaaluitgaven vormen in off-grid druppelirrigatiesystemen, en de primaire terugkerende kosten in on-grid systemen. Winter en Shamshery wilden drukcompenserende druppelaars ontwerpen die werken op 0,1 bar - een tiende van de druk van commerciële systemen. Deze vermindering kan zowel het vermogen dat nodig is om water door de druppelaars te pompen als de kapitaalkosten van een off-grid druppelsysteem halveren.

Evoluerende infuus

Het team ging op zoek naar de kenmerken van druppelaars die een drukcompenserend effect hebben. Om dit te doen, ze maakten eerst een model van een conventionele drukcompenserende druppelaar in MatLab, een numeriek computerprogramma waarmee onderzoekers de afmetingen van een model kunnen veranderen om een ​​gedragsverandering teweeg te brengen. In dit geval, Shamshery bestudeerde de dynamiek van water dat door de gemodelleerde druppelaar stroomt, en kwam toen met een wiskundige beschrijving om uit te leggen hoe de interne kenmerken van een druppelaar de vloeistofstroom en waterdruk beïnvloeden.

Shamshery koppelde vervolgens het wiskundige model aan een genetisch algoritme - een computerprogramma dat de evolutie van, in dit geval, verschillende parameters in een druppelaar. Bijvoorbeeld, het team selecteerde een reeks dimensies voor bepaalde functies en testte hun stromingsgedrag in simulatie. Ze verwierpen die afmetingen die ongewenste waterdruk veroorzaakten, en hield de betere artiesten, die ze terugvoerden naar het algoritme met een nieuwe reeks dimensies.

"We laten dit evolueren door meerdere generaties, " legt Shamshery uit. "Uiteindelijk drukt u de kenmerken en geometrieën uit die u goede prestaties geven, en je doodt de functies die je slechte prestaties geven."

Ze evolueerden de afmetingen van de druppelaar naar een geometrie die een optimaal debiet produceerde met een begindruk van slechts 0,15 bar. Met behulp van deze optimale afmetingen, het team maakte een paar prototypes van een druppelaar en testte ze in het laboratorium, met resultaten die overeenkwamen met hun simulaties.

Zonne-energie gaan

Winter werkt nu samen met de United States Agency for International Development (USAID) en Jain Irrigation, een belangrijke fabrikant van druppelirrigatiesystemen, om de geoptimaliseerde druppelaars in Marokko en Jordanië te testen, waar hij zegt dat er een duw is om boeren te verschuiven naar druppelirrigatie.

"Met deze druppelaars, arme boeren kunnen nu hoogwaardigere gewassen verbouwen, zoals gewassen buiten het seizoen die ze niet konden verbouwen tenzij ze regen hadden, en meer geld verdienen om uit de armoede te komen, " zegt Winter. "In plaatsen als Californië, met een geschiedenis van stroomuitval, dit betekent niet alleen minder waterverbruik, maar minder energie [gebruikt] voor de landbouw."

Volgende, het team is van plan de rest van het druppelirrigatiesysteem te optimaliseren, wat de kosten van het systeem verder zal verlagen. De onderzoekers gaan de komende twee jaar in Jordanië en Marokko testen met druppelirrigatiesystemen op zonne-energie met USAID.

"Het blijkt dat er een enorme onaangeboorde markt is in off-grid situaties, " zegt Winter. "Als je naar de ontwikkelingslanden kijkt, er zijn ongeveer een half miljard kleine boerderijen met 2,5 miljard mensen. Voor hen, deze technologie zou een game-changer kunnen zijn."

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.