Waterbesparing is wereldwijd een groeiend probleem, en in het bijzonder voor boeren in de VS, waar tientallen jaren van irrigatie van enorme velden vitale bronnen van zoet oppervlaktewater en grondwater hebben uitgeput. Een ESA-spin-off die kan helpen om de watervoorziening in stand te houden en tegelijkertijd de irrigatie van gewassen te garanderen, wordt nu definitief getest.

Het ambitieuze plan van voormalig ESA-medewerker Javier Marti is om overmatig gebruik van irrigatie, gebaseerd op een concept ontwikkeld in het technologiecentrum van het bureau in Nederland:het gebruik van gereflecteerde satellietnavigatiesignalen voor het op afstand waarnemen van het aardoppervlak.

Water besparen en de gewasopbrengst verhogen

Liggend onder acht staten in de centrale VS, de enorme watervoerende laag Ogallala levert bijna een derde van het grondwater voor de irrigatie van gewassen in het land, maar een groot deel van de watervoerende laag, vooral in de staten New Mexico, Texas en Oklahoma, binnen een generatie of twee kan opdrogen als er geen actie wordt ondernomen.

Tweederde van het water van de aquifer ligt onder Nebraska, van de staat een focus maken voor het testen van de aanpak die Javier's bedrijf Divirod heeft ontwikkeld.

De komende maanden, verschillende boerderijen zullen hun irrigatie reguleren en optimaliseren met behulp van de nieuwe techniek om het waterverbruik te verminderen.

"Ons systeem vergelijkt gereflecteerde en directe satnav-signalen om het vochtgehalte van bodem en gewassen te onthullen, " legde Javier uit, Divirods CEO.

"We verwachten dat ons systeem boeren ongeveer 30% aan bedrijfskosten kan besparen in termen van zowel water als energie. Gewasopbrengsten zijn afhankelijk van veel factoren, maar we schatten dat we de opbrengsten ook met 10-12% zouden kunnen verbeteren."

Satnav-signalen gebruiken voor teledetectie

Javier werkte samen met ESA-ingenieur Manuel Martin-Neira aan de SMOS-satelliet voor bodemvocht en oceaanzoutgehalte van het Agentschap. Hier, hij kwam op het idee om gereflecteerde satnav-signalen te gebruiken uit een door Manuel voorgesteld project voor teledetectie. Manuel stelde voor om de microgolfsignalen te gebruiken om aardse kenmerken te meten, zoals de topografie van oceanen.

"Satellieten met hoogtemeters die radar gebruiken, kunnen alleen langs de vluchtlijn meten, terwijl ik me realiseerde dat het gebruik van gereflecteerde satellietnavigatiesignalen ons in staat zou stellen metingen te doen vanaf verschillende punten, ’ legde Manuel uit.

Spin-off vanuit de ruimte

"Het werk van Javier en Manuel resulteerde in drie ESA-patenten voor het gebruik van gereflecteerde satnav-signalen, een doorbraak die nu beschikbaar is voor de ontwikkeling van nieuwe terrestrische toepassingen, ", aldus Mercedes Sánchez Álvarez, medewerker van het ESA Technology Transfer Program.

"Het is geweldig om te zien dat Javier dezelfde signaalaanpak heeft gekozen en het op een andere manier heeft gebruikt om een ​​praktisch systeem te ontwikkelen voor grondmetingen van het bodemvochtgehalte aan de oppervlakte, waterstanden in reservoirs, snowpack en wetlands, onder andere toepassingen."

Manuel heeft toegevoegd, "Hoewel de principes van hoe SMOS bodemvocht meet, verschillen van de Divirod-benadering, beide technieken bieden in wezen hetzelfde.

"Maar wat hier leuk is, is dat satellietnavigatie zelf de focus is van veel ontwikkeling, dus een bodemvochtmeetsysteem erop baseren zou kosteneffectieve resultaten moeten opleveren."

Javier legde uit dat de sleutel is hoe de satnav-signalen worden verwerkt. "Het gebruik van satellietnavigatie voor teledetectie is niet uniek, maar we hebben software ontwikkeld waarmee we variaties over een enorm veld kunnen meten tot een resolutie van ongeveer 5x5 m of minder, met slechts één sensor op een paal in het midden van het veld.

"Voor sommige toepassingen kunnen we deze resolutie in de toekomst terugbrengen tot minder dan een vierkante meter."

Deze gedetailleerde dekking kan worden geïntegreerd in irrigatiesystemen, zodat het water naar behoefte precies in verschillende gebieden in elk veld wordt afgeleverd.

Sensoren kunnen ook worden ingebouwd in de irrigatiesystemen van industriële centra die veel worden gebruikt in de VS en worden gecombineerd met machine learning om een ​​op zichzelf staand, gesloten circuit.

Betere teelt in Nebraska

"Ik ben erg enthousiast over het vooruitzicht om de Divirod-technologie te gebruiken om te verfijnen hoe we water gebruiken op onze boerderij, " zei Roric Paulman, eigenaar van Paulman Farms in Nebraska, een van de eerste proeflocaties.

"We bevinden ons nu in een gebied met waterbeperkingsbeheer. De wetgeving van Nebraska erkent dat de toekomstige behoefte aan oppervlaktewater en grondwater belangrijk is voor de duurzaamheid van de watervoerende laag."

De alternatieve methoden voor het beoordelen van bodemvocht zijn fysieke sondes en satellietbeelden. Echter, een sonde meet alleen de waarde op één punt, en het extrapoleren daarvan kan bemoeilijkt worden door de verschillende grondsoorten, hellingen en variërende grondhoogte - zelfs over een enkel veld.

"De problemen met satellietbeelden zijn niet alleen resolutie en kosten, maar ook de tijd die nodig is om de data te verzamelen en te vertalen naar een setting voor de irrigatietool. Dit kan dagen duren, maar op een boerderij werken we in realtime, ’ voegde Roric eraan toe.

Op weg naar efficiënt watergebruik

Divirod voert sensortests uit in het Lincoln Experiment Station van de Universiteit van Nebraska om de sensormetingen te bevestigen. Het zal ook een van de technologieën zijn die worden onderzocht door het Ogallala Water Coordinated Agriculture Project, waarbij mogelijk duizenden sensoren betrokken zijn.

Hoewel landbouw een focus is voor Divirod, het bedrijf onderzoekt al andere toepassingen. vanaf mei, sensoren worden getest op twee locaties in Boulder, Colorado, vanwege hun potentieel om het watergebruik in gemeentelijke landschappen te matigen. Ook vanuit het Midden-Oosten is er belangstelling. Er is een voorlopig octrooi aangevraagd en er kunnen er meer volgen.