Un approccio di tipo laboratorio su chip consente di ottenere misurazioni precise dei nutrienti nel suolo
I fertilizzanti forniscono sostanze nutritive fondamentali che aumentano la resa dei raccolti. Il miglioramento della produzione agricola rappresenta sia un incentivo economico per gli agricoltori sia una sfida per la popolazione mondiale in crescita. Tuttavia, alcuni studi dimostrano che ben il 60 % dei terreni agricoli nell’Unione europea è oggetto di un eccesso di concimazione, con ripercussioni negative sulla biodiversità, sulla qualità dell’acqua e sulla resa dei raccolti. Gli agricoltori hanno bisogno di informazioni precise su ciò che accade nel sottosuolo, e il progetto SOILMONITOR(si apre in una nuova finestra), finanziato dal CEI, ha messo a punto una soluzione: un dispositivo miniaturizzato per l’analisi del suolo, progettato per raccogliere cento campioni all’anno e analizzarne il contenuto dei principali nutrienti. Mettere queste informazioni precise e costanti a disposizione degli agricoltori consente di attuare una concimazione su misura che ottimizza la produzione agricola riducendo al minimo gli impatti ambientali negativi.
Un monitor del suolo di tipo «laboratorio su chip» per gli agricoltori
Il sistema di monitoraggio del suolo che dà il nome al progetto è stato sviluppato presso l’Università di Kiel, in Germania, sulla base del precedente progetto BEAMOLED. Il team multidisciplinare comprendeva esperti in ingegneria chimica, ingegneria elettrica, scienze del suolo ed economia aziendale. Interrato a una profondità compresa tra i 30 e i 60 cm, il sistema «laboratorio su chip» (25 cm x 15 cm x 10 cm) ha all’incirca le dimensioni di una scatola da scarpe. L’estrazione dell’acqua dal suolo avviene tramite un elemento di aspirazione in ceramica porosa di allumina e una pompa peristaltica. Sebbene l’estrazione risulti più agevole nei terreni sabbiosi, la piccola quantità necessaria per l’analisi del suolo consente al dispositivo di funzionare bene in una varietà di condizioni. Il terreno viene quindi trattato su un chip microfluidico(si apre in una nuova finestra), i cui prototipi sono stati realizzati come mostrato in questo video del progetto(si apre in una nuova finestra). Utilizzando test colorimetrici e un sistema di lettura ottica basato sui risultati del progetto BEAMOLED per rilevare la presenza e la concentrazione dei nutrienti di interesse, il monitor del suolo invia poi le informazioni al cellulare dell’agricoltore tramite la rete LoRaWAN(si apre in una nuova finestra). Attualmente il progetto utilizza anche la tecnologia wireless IoT a banda stretta per trasmettere queste informazioni. I partner del progetto prevedono l’installazione di un numero compreso tra tre e otto unità per campo, a seconda dell’eterogeneità del terreno. Una volta posizionate le unità, una funzione di test integrata consentirà agli agricoltori di verificare il corretto funzionamento del dispositivo prima di riempire il fossato di installazione. Nel corso dei suoi 12 mesi di funzionamento autonomo, il monitor del suolo raccoglierà i campioni analizzati e i reagenti in una cartuccia monouso.
Una società spin-off per il monitoraggio del suolo
In qualità di beneficiario di una sovvenzione transizione del CEI(si apre in una nuova finestra), la commercializzazione ha fatto parte del piano di SOILMONITOR sin dall’inizio. La società spin-off commercializzerà inizialmente il sistema di monitoraggio del suolo per colture di alto valore, quali ortaggi e sementi, con piani futuri che prevedono applicazioni più ampie. La coordinatrice del progetto, Martina Gerken, ipotizza un prezzo a lungo termine inferiore a 500 euro per unità. Anche prima che il prezzo raggiunga questa cifra accessibile, il sensore per il monitoraggio del suolo rappresenta un ottimo investimento. «Il ritorno sull’investimento per gli agricoltori può essere molto rapido», spiega Gerken. «Per colture di alto valore come pomodori o fragole, anche un modesto aumento del 5 % della resa commerciabile ottenuto grazie a una gestione ottimizzata dei nutrienti può ammortizzare il costo dei sensori nel corso di una sola stagione di coltivazione.» Il sistema di monitoraggio del suolo è progettato per funzionare senza necessità di manutenzione per un anno, ma il dispositivo stesso è concepito per un utilizzo prolungato. «Seguiamo un approccio del tipo “rasoio e lamette”», spiega Gerken. «Gli agricoltori acquistano il sistema di sensori una sola volta e poi sostituiscono ogni anno le cartucce consumabili contenenti i componenti microfluidici.» SOILMONITOR ha realizzato una soluzione commercializzabile per l’agricoltura di precisione. Facile da usare e un ottimo investimento, questo piccolo dispositivo migliorerà la resa dei raccolti e contribuirà alla tutela dell’ambiente.
