Många gårdar i torkautsatta regioner i USA förlitar sig på droppbevattning som en vattenbesparande metod för att odla grödor. Dessa system pumpar vatten genom långa tunna rör som sträcker sig över jordbruksfält. Hundratals dime-sized droppar längs varje rör sipprar vatten direkt på en växts bas. En bonde kan kontrollera tidpunkten och mängden vattning, leverera bara så mycket vatten som en gröda kräver.

Droppbevattning kan minska en jordbruks vattenförbrukning med så mycket som 60 procent och öka skörden med 90 procent, jämfört med konventionella bevattningsmetoder. Men dessa system är dyra, särskilt i miljöer utanför nät där de kostar bönder mer än $ 3, 000 per tunnland att installera.

Nu har ingenjörer på MIT hittat ett sätt att sänka kostnaden för soldrivna droppsystem till hälften, genom att optimera dropparna. Vidare, dessa nya droppar kan halvera den pumpkraft som krävs för att bevattna, sänka energiräkningarna för jordbrukare. Teamet ändrade dropparnas dimensioner på ett sätt som avsevärt minskar trycket som krävs för att pumpa vatten genom hela systemet, samtidigt som den levererar samma mängd vatten.

Laget, ledd av Amos Winter, en biträdande professor i maskinteknik, planerar att ytterligare modifiera systemet uppströms, optimera slangen, filter, pumps, och solenergisystem för att slutligen göra droppbevattning överkomligt för jordbrukare i utvecklingsregioner i världen.

"Många småbönder i Indien tjänar bara några hundra dollar om året, så ett droppbevattningssystem ligger långt utanför deras prispunkt, "Säger Amos." Droppsystem med låg kostnad kan hjälpa dem att öka avkastningen och inkomsten, så att de kan komma ur fattigdomscykeln. "

Teamet har publicerat sin tekniska teori om droppdesign i PLOS One . Tidningens medförfattare är huvudförfattare och doktorand Pulkit Shamshery, tidigare MIT postdoc Ruo-Qian Wang, och grundläggande Davis Tran.

"Silverkulan"

I dag, bönder i Indien och andra utvecklingsdelar av världen odlar främst grödor med översvämning, en uråldrig, lågteknologisk metod som innebär översvämning av fält med omdirigerad flod eller grundvatten. Även om denna metod är billig, bönder har liten kontroll över när och hur mycket de ska vattna sina grödor. Flood bevattning är också ineffektivt, eftersom det mesta av vattnet som inte tas upp av växter förångas eller rinner bort.

"Silverkulan här är droppbevattning ... men det är orimligt dyrt, "Vintern säger." Den främsta kostnadsdrivaren är pumpen och kraftsystemet. Det lade grunden för vårt forskningsprojekt:Kan vi göra droppar som arbetar med mycket lägre tryck, och därmed minska pumpkraften och kapitalkostnaderna? "

Att göra detta, forskarna bestämde sig för att karakterisera beteendet hos befintliga "tryckkompenserande" droppar - droppare som är utformade för att upprätthålla en konstant flödeshastighet, oavsett det initiala vattentryck som appliceras. En sådan funktion gör att varje droppare längs ett rör kan leverera samma vattenflöde genom ett jordbruksfält, oavsett hur långt bort en enskild droppare är från centralpumpen.

De flesta konventionella droppbevattningssystem är konstruerade för att driva dropparna vid ett tryck på minst 1 bar. För att upprätthålla detta tryck krävs energi, som utgör den huvudsakliga kapitalkostnaden för droppbevattningssystem utanför nätet, och den primära återkommande kostnaden i nätverkssystem. Winter and Shamshery syftade till att designa tryckkompenserande droppar för att arbeta med 0,1 bar-en tiondel av trycket i kommersiella system. Denna minskning kan halvera både den effekt som krävs för att pumpa vatten genom dropparna och kapitalkostnaden för ett droppsystem utanför nätet.

Utvecklande dropp

Teamet bestämde sig för att karakterisera egenskaperna hos droppar som ger en tryckkompenserande effekt. Att göra detta, de genererade först en modell av en konventionell tryckkompenserande droppare i MatLab, ett numeriskt dataprogram som gör det möjligt för forskare att ändra dimensionerna på en modell för att skapa en förändring av beteendet. I detta fall, Shamshery studerade dynamiken i vatten som rinner genom den modellerade dropparen, och kom sedan med en matematisk beskrivning för att förklara hur dropparens inre egenskaper påverkar vätskeflödet och vattentrycket.

Shamshery kopplade sedan den matematiska modellen med en genetisk algoritm - ett datorprogram som simulerar utveckling av, I detta fall, olika parametrar i en droppare. Till exempel, laget valde en rad dimensioner för vissa funktioner och testade deras flödesbeteende i simulering. De slängde de dimensioner som gav oönskat vattentryck, och höll de bättre artisterna, som de matade tillbaka till algoritmen med en ny uppsättning dimensioner.

"Vi låter detta utvecklas genom flera generationer, "Shamshery förklarar." Du slutar uttrycka de funktioner och geometrier som ger dig bra prestanda, och du dödar de funktioner som ger dig dålig prestanda. "

De utvecklade dropparens dimensioner till en geometri som gav en optimal flödeshastighet med ett initialt tryck så lågt som 0,15 bar. Med hjälp av dessa optimala dimensioner, laget tillverkade några droppprototyper och testade dem i labbet, med resultat som matchade deras simuleringar.

Går sol

Winter arbetar nu med United States Agency for International Development (USAID) och Jain Irrigation, en stor tillverkare av droppbevattningssystem, för att testa de optimerade dropparna i Marocko och Jordanien, där han säger att det finns en påtryckning att flytta bönderna till droppbevattning.

"Med dessa droppar, fattiga bönder kan nu odla grödor med högre värde, som grödor utanför säsongen som de inte kunde odla om de inte hade regn, och tjäna mer pengar för att försöka komma ur fattigdomen, "Vintern säger." På platser som Kalifornien, med en historia av strömavbrott, detta innebär inte bara mindre vattenförbrukning, men mindre energi [används] till jordbruket. "

Nästa, laget planerar att optimera resten av droppbevattningssystemet, vilket ytterligare kommer att minska systemets kostnad. Forskarna kommer att pilotera soldrivna droppbevattningssystem i Jordanien och Marocko med USAID under de kommande två åren.

"Det visar sig att det finns en massiv outnyttjad marknad i situationer utanför nätet, "Vintern säger." Om du tittar på utvecklingsländerna, det finns ungefär en halv miljard små gårdar med 2,5 miljarder människor. För dem, denna teknik kan vara en spelväxlare. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.