När det gäller planetens hälsa, jordbruk och livsmedelsproduktion spelar en enorm roll. Enligt FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation, ungefär 37 procent av jorden i världen används för jordbruk och livsmedelsproduktion, och 11 procent av jordens landyta används specifikt för växtodling. Att hitta sätt att göra jordbruket mer hållbart och effektivt är avgörande inte bara för miljön, men också för den globala livsmedelsförsörjningen.

Julia Sokol växte upp långt borta från vilken gård som helst. Född i Ryssland, Sokol och hennes familj flyttade när hon var 10 år gammal till New York City, där hennes far arbetade för FN. Dessa dagar, dock, Sokol, en Ph.D. student i maskinteknik, ägnar mycket av sin tid åt att tänka på jordbruk. De senaste två åren, Sokol har arbetat med ett droppbevattningsprojekt vid MIT:s Global Engineering and Research (GEAR) Lab.

Efter att ha tagit sin kandidatexamen i maskinteknik vid Harvard University, Sokol tillbringade en tid i industrin, först som forskningsassistent på Schlumberger, arbetade sedan på ett litet hållbarhetskonsultföretag. Vill ha en starkare teknisk grund, hon sökte till MIT för forskarskola.

Under hennes masterprogram, Sokol gick kursen 2.76 (Global Engineering), som undervisades av docent och huvudutredare för GEAR Lab, Amos Winter. Efter att ha utvecklat ett intresse för vattenrelaterade frågor, Sokol hoppade på tillfället att arbeta med Winter på GEAR Labs energieffektiva droppbevattningsprojekt.

"Jag var verkligen exalterad över att gå med i projektet, ", säger Sokol. "Den kombinerar perfekt min passion för hållbarhet med mitt intresse för grundforskning inom flödesmekanik och systemdesign."

Istället för översvämningsbevattning – där vatten pumpas från en källa för att översvämma ett fält – har droppbevattning en central pump som för vatten genom ett nätverk av rör. Strålare fästa vid rören släpper ut vatten jämnt över hela fältet, vilket resulterar i högre skörd och mindre vattenförbrukning jämfört med översvämningsbevattning.

"Målet med droppbevattning är att ge vatten med en tillräckligt låg flödeshastighet för att rötterna faktiskt ska börja absorbera det omedelbart, istället för att det avdunstar eller sipprar tillbaka ner till en akvifer, " förklarar Sokol.

De utsläpp som används vid droppbevattning sprider vattnet jämnt, i motsats till översvämningsbevattning, vilket ofta gör att grödor blir vattentäta. "Dessa droppsändare måste ge ett jämnt flöde genom hela fältet så att alla grödor får samma mängd vatten, " tillägger Susan Amrose, en forskare vid GEAR Lab.

Forskargruppen fokuserade först på de geometriska egenskaperna hos dessa sändare. De utvecklade en matematisk modell som beskriver hur de geometriska egenskaperna interagerar med membranen inuti dem. Baserat på denna modell, de optimerade utsläppen för att få lägsta möjliga tryck som krävs för att säkerställa att vattnet strömmar till grödor i rätt hastighet.

Kommersiella sändare kräver ett minimum aktiveringstryck på 1 bar för att ge ett konstant flöde för grödorna. Tack vare förändringarna som teamet gjorde inuti sändaren, de sänkte aktiveringstrycket till bara 0,15 bar. Denna minskning av trycket som behövs för att aktivera dropparna halverade kraften som behövs för att driva centralpumpen.

"Att minska trycket sänker kostnaden för systemet totalt, vilket är fördelaktigt för bonden, och naturligtvis bidrar det också till att minska utsläppen av växthusgaser, säger Sokol.

För droppbevattningssystem utanför nätet som fungerar via solenergi, Användningen av de nya utsläppen kan minska kostnaderna för jordbrukaren med 40 procent. "För bönder i utvecklingsländer, dessa kostnadsbesparingar minskar barriären för en vattenbesparande och ger ökad teknologi, " tillägger Amrose.

Teamet har genomfört ett antal fältförsök i Marocko och Jordanien, där de arbetar med NGO-partners och privata bönder för att testa de nydesignade utsläppen och det optimerade bevattningssystemet.

"Det största avdraget från dessa fältförsök var hur mycket vårt system minskade energi och kostnader samtidigt som det gav hög enhetlig flödeshastighet till grödor, " förklarar Sokol.

Enligt Amrose, Sokol har varit avgörande i utvecklingen och testningen av dessa sändare. "Hon tar med hela paketet - hon är en utmärkt designer, hon kan vara på fältet och fixa hårdvara, och hon är också otroligt bra teoretiskt, arbeta med modeller, säger Amrose.

Sokol och GEAR Lab-teamet kommer att fortsätta att göra förbättringar av utformningen av utsläppen som både minskar kostnaderna, spara resurser, och förbättra skörden.

"Den globala befolkningen fortsätter att växa, så vi behöver ökad jordbruksproduktivitet, " Sokol tillägger. "Det är vårt fokus - att få det att hända, särskilt i utvecklingsområden."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.