Nel 2010, gli scienziati del Pacific Institute della California, un think tank globale sull'acqua, hanno definito una condizione che la Terra potrebbe affrontare chiamata "picco dell'acqua". In generale, è analogo al picco del petrolio, ma non è solo che rimarremo senza acqua. L'acqua dolce non svanirà, ma diventerà ancora più uniformemente distribuita, sempre più costosa e di difficile accesso. Molte parti del mondo si trovano ad affrontare lo stress idrico e l'80% dell'acqua dolce che viene utilizzata in tutto il mondo viene utilizzata per l'irrigazione delle colture, secondo il presidente emerito Peter Gleick del Pacific Institute.
Negli ultimi 40 anni circa, il consumo totale di acqua negli Stati Uniti ha iniziato a stabilizzarsi. In parte ciò è dovuto al notevole miglioramento dell'irrigazione, e in parte a causa delle tecnologie di telerilevamento (satelliti, radar e droni) che valutano lo stress idrico nei campi in base alla temperatura o alla quantità di luce riflessa dal baldacchino in diverse lunghezze d'onda. Meglio possiamo monitorare l'idratazione delle piante, tanto più possiamo evitare di innaffiare e sommergere le nostre colture. Ma mentre questi metodi si adattano bene ad ampie vedute e possono dare un quadro generale dei campi d'acqua che stanno utilizzando, un team della Penn State University ha esplorato un metodo molto più dettagliato per misurare lo stress idrico, pianta per pianta.
Il sistema, per il quale la Penn State Research Foundation ha richiesto un brevetto internazionale, presenta un'unità a clip che contiene sensori per rilevare lo spessore e la capacità elettrica, o la capacità di immagazzinare una carica, di singole foglie. L'array di sensori è collegato a un nodo WiFi, che trasmette i dati a un'unità centrale che tiene traccia delle misurazioni nel tempo e le utilizza come indicatori dello stress idrico. Alla fine, un'app per smartphone potrebbe eseguire l'intero sistema.
"L'implementazione di tale tecnica in applicazioni pratiche reali, è difficile perché deve essere leggera, affidabile, non distruttiva per la pianta", afferma Amin Afzal, autore principale dello studio, che è stato pubblicato in Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Ingegneri . "Ciò che viene presentato in questo articolo, è una sorta di rivoluzione per la tecnica a base vegetale, e si spera che possiamo sviluppare questa tecnica e finalmente consegnarla un giorno per applicazioni pratiche."
La Penn State Research Foundation ha richiesto un brevetto internazionale per il sistema. (Amin Afzal) Gli attuali standard per la misurazione dello stress idrico rientrano principalmente nei modelli di evapotraspirazione e nel rilevamento dell'umidità del suolo. Il primo prevede il calcolo della quantità di evaporazione che si verifica in un campo e il successivo verifica il terreno stesso, ma in entrambi i casi, la tecnica sta misurando i proxy per lo stress idrico piuttosto che lo stress a cui sono sottoposte direttamente le piante.
Il sensore Penn State funziona in modo leggermente diverso. Un sensore ad effetto Hall nella clip utilizza magneti per determinare la distanza da un lato della clip all'altro; quando la foglia si asciuga, i magneti si avvicinano. Nel frattempo, un sensore di capacità misura la carica elettrica nell'anta. L'acqua conduce elettricità in modo diverso rispetto al materiale fogliare e il sensore può leggerlo. Un'unità centrale nel campo interpreta la capacità come contenuto d'acqua e la comunica al sistema di irrigazione. Ma i test hanno anche mostrato capacità diverse durante il giorno (rispetto alla notte) quando la foglia era fotosinteticamente attiva.
Nel corso di 11 giorni, Afzal e i suoi colleghi hanno lasciato asciugare il terreno della pianta sperimentale, misurando capacità e spessore ogni cinque minuti. Hanno notato che entrambe le metriche hanno mantenuto un comportamento coerente fino al giorno 9, quando l'osservazione fisica era osservabile. Inoltre, la capacità è aumentata e diminuita durante i cicli di luce di 24 ore, suggerendo che la capacità può anche rilevare la fotosintesi.
Dotato di effetto Hall e sensori di capacità, la clip determina il contenuto d'acqua e lo comunica a un sistema di irrigazione. (Amin Afzal) Sul campo, solo una selezione di piante avrebbe bisogno di monitor. Un campo più ampio richiederebbe più sensori totali, soprattutto se ha una varietà di elevazioni, terreni o bordi, ma richiede meno sensori per unità di area. Ad un prezzo atteso di circa $ 90 le unità non sono economiche, ma sono resistenti negli elementi, progettate per durare più di cinque anni, afferma Afzal.
L'obiettivo è migliorare la resa (o almeno non diminuirla) riducendo al contempo la quantità necessaria di acqua. Ovviamente, l'eccesso di acqua è dispendioso. Tuttavia, il sottosuolo può ridurre la resa, poiché le piante stressate dall'acqua producono di meno, riducendo così l'efficienza complessiva dell'acqua. Non si tratta solo di quanta acqua usi, ma di come le piante usano l'acqua che dai loro, dice Jose Chavez, professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la Colorado State University che ha studiato ampiamente l'evapotraspirazione per valutare meglio l'irrigazione in Colorado.
"A seconda del raccolto, se non si tratta di un'irrigazione insufficiente, applicando meno dell'ottimale, alcune graffette potrebbero essere molto suscettibili di perdere molta resa", afferma Chavez. "La tecnologia che rileverà in anticipo quando raggiungerà quel livello impedirebbe di perdere il rendimento preparando il gestore dell'acqua in anticipo."
Il team di Penn State ha testato il dispositivo su sei foglie di una singola pianta di pomodoro, non di grandi dimensioni. Afzal, che ora è un ricercatore di dati di ricerca presso la Monsanto, afferma che la tecnologia è applicabile ad altre piante e su scala più ampia, ma richiederà comunque ulteriori studi per testare colture e condizioni diverse. Ha già messo il sensore sulle piante di riso, che hanno foglie elastiche che si allungano e si restringono di più con l'acqua.
"Altri gruppi dovranno raccoglierlo e fare valutazioni, per vedere come si comporta", afferma Chavez. “Se dimostra che è affidabile, in termini di lavoro per diverse piante e tipi di terreno, individuare davvero il livello di stress, penso che sarebbe bello. Ma quanto è scalabile in campi più grandi e quanto è possibile replicarli su diversi tipi di superfici e ambienti? Quelle sarebbero le cose chiave per me. "
