“Debemos dejar de dar por sentado el agua” fue la frase pronunciada por Qu Dongyu Director-General de la FAO, en el “Diálogo de Roma sobre el Agua de 2023” celebrado del 4 al 5 de octubre. Además, agregó “[…] al aumentar la eficiencia, reducir los impactos negativos y reutilizar las aguas residuales, la agricultura ofrece soluciones a la crisis mundial del agua” [1].
La agricultura representa más del 70 por ciento de las extracciones de agua dulce del planeta. Las últimas proyecciones de las Naciones Unidas sugieren que la población global podría crecer hasta alrededor 9.700 millones en 2050 [2] lo que significa 1.7 millones de personas más que alimentar. En ese sentido, la agricultura enfrenta un doble reto, el de incrementar su producción y hacerlo con menos agua. Esto significa ser más eficiente en el riego.
El desafío consiste en aplicar la cantidad óptima de agua a fin de que su contenido en la zona de raíces nos permita obtener una buena cosecha. Sin embargo, el suelo en las parcelas agrícolas no es homogéneo en toda su extensión. El contenido de agua apropiado para un cultivo varía de acuerdo al tipo de suelo y aquí surge el concepto de riego diferenciado propio de la agricultura de precisión.
Riego diferenciado y el contenido de agua en el suelo
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| Fig. 1 Distribución de la humedad contenida en la capa superficial de 6 cm de profundidad en una parcela obtenida por mediciones in situ (círculos amarillos). Tomado de [10] |
La cantidad de riego aplicada a la parcela debe diferenciarse por el tipo de suelo, así como por el contendido actual de agua en la zona de raíces tal como lo muestra la figura 1. Este último se elabora a partir de datos de humedad extraídos de imágenes satelitales o de sensores distribuidos en la parcela, entre otros métodos.
El limitante de las imágenes es que de ellas es difícil extraer los datos de humedad por debajo de la superficie del suelo [3] [4]. Otra restricción es la dificultad de disponerlas con la oportunidad y frecuencia necesaria. Finalmente, la obtención de datos de humedad de las imágenes a partir coloración de las hojas del cultivo no es eficiente, pues, los efectos del contenido de agua en el suelo tardan en manifestarse en el follaje [5].
El empleo de sensores está en aumento en la agricultura. De acuerdo a The Business Research Company [6] el mercado global de ellos creció de 1.49 billones de dólares en 2022 a 1.75 billones en el 2023, lo que representa crecimiento del 17%. Se espera que crezca a 3.38 billones para el 2027. Sin embargo, hay varios factores que restringen un crecimiento más intenso:
- La inmensa mayoría de los sensores son caros. El uso de chips y baterías, así como los procesos de manufactura, hacen que sean relativamente costosos. Esto limita su empleo en la cantidad necesaria para aplicar un riego diferenciado adecuado en una parcela.
- Por otro lado, los sensores, así como los cables, transmisores y registradores requeridos, interfieren las labores de labranza. Como consecuencia de ello, estos deben instalarse después de la última operación de labranza y retirarse antes de la cosecha, lo que demanda costos operativos adicionales [7].
- Finalmente, el empleo de sensores de “chips y baterías” trae una consecuencia no deseada: la generación de residuos electrónicos o “e-waste”. Todos los equipos electrónicos tienen una vida útil que está definida por la frecuencia de fallas o la obsolescencia. Al final de esta tenemos que lidiar con su disposición final [8].
Sensores biodegradable inalámbricos
A fin de superar esta restricción de los “sensores de chips y baterías”, una tecnología cuyo principio lleva muchos años [9], viene atrayendo el interés de investigadores agrícolas. Se trata de sensores biodegradables inalámbricos que no poseen chips ni baterías y cuya fabricación es sumamente económica [5].
Estos dispositivos son ideales para los cultivos anuales. Pueden enterrarse en el suelo durante la siembra y permanecer así mientras dure el crecimiento de la plantación sin interferir las operaciones agrícolas. Una vez culminada la cosecha, los sensores se degradan por procesos bioquímicos y físicos del suelo, eliminando la necesidad de su remoción.
La obtención de los datos de humedad se hace mediante un lector que emite ondas de radio al sensor y mide la señal reflejada por este tras ser excitado. A partir de esa medición, el lector calcula la humedad del suelo. Lo interesante es que el sensor no requiere batería, pues, utiliza la misma energía contenida en la señal recibida para devolverla. Por el principio en que se basan se denominan “Sensores resonantes LC pasivos inalámbricos” (Wireless Passive LC Resonant Sensors).
Lo ideal es que el lector puede colocarse debajo de un tractor o ser instalado en un dron para fines de recoger la información de los sensores en toda la extensión de la parcela, tal como se muestra en la figura 2. Estos lectores pueden, a su vez, retransmitir la señal a un centro de monitoreo o a un sistema de control automático de riego para que aplique el agua de acuerdo a las lecturas de los sensores.
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| Figura 2: Ubicación del sensor (a) debajo de un tractor agrícola y (b) debajo de un dron |
La simplicidad de su circuito permite que pueda ser producido empleando manufactura aditiva. En otras palabras, es posible de ser “impreso” sobre un sustrato biodegradable, disminuyendo aún más los costos de fabricación.
Avances
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| Fig. 3: a(i) sustrato de PLA; a(ii) impresión de zinc; a(iii) sensor con cubierta de PLA; b(i) sensor visto al trasluz; b(ii) sensor en fondo de excavación. Tomado de [5] |
El 14 de mayo del 2022, la revista Scientific Reports publicó un artículo denominado, en español, “Un sensor biodegradable sin chip para el monitoreo inalámbrico de la salud del subsuelo” [5]. En él se describe el desarrollo de un Sensor de transmisión de radio inteligente y degradable, denominado DIRTS por sus siglas en inglés. Este permite la medición inalámbrica del contenido volumétrico de agua del subsuelo utilizando drones.
El sensor basado en resonancia LC, desarrollado como prueba de concepto, es capaz de detectar el contenido volumétrico de agua dentro del rango de 3.7 a 23.5 %, de acuerdo a ensayos de laboratorio y de campo.
Un aspecto sorprendente de este dispositivo es que midiendo apenas 2 cm × 2 cm × 2.5 mm (ver fig. 3) logra un alcance de señal de 40 cm por encima del suelo, estando ubicado a 5 cm de profundidad.
El sensor consiste de un sustrato de ácido poliláctico (PLA) con un circuito impreso de zinc, lo que garantiza su degradación. De acuerdo a sus autores, el estudio de biodegradación revela que este puede proporcionar lecturas estables dentro de la duración esperada de 1 año con menos del 4% de cambio en la sensibilidad antes de mostrar signos de degradación.
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[1] United Nations. World News in Brief: Water ‘being taken for granted’, global teacher crisis, Nipah in India update. UN News [online]. 04 Oct 2023 [accessed 20 Nov 2023] Retrieved from: https://news.un.org/en/story/2023/10/1141857
[2] United Nations Department of Economic and Social Affairs, Population Division. World Population Prospects 2022: Summary of Results. United Nations Publication, 2022. ISBN: 978-92-1-148373-4. eISBN: 9789210014380
[3] SoilSense. Soil moisture sensors or satellite data? Why remote sensing won't replace sensors anytime soon. SoilSense [online]. 24 Mar 2021 [accessed 20 Nov 2023] Retrieved from: https://soilsense.io/blog/tpost/ffvu68rr81-soil-moisture-sensors-or-satellite-data
[4] Ahmad A.; Zhang, Y.; Nichols; S. Review and evaluation of remote sensing methods for soil-moisture estimation. Journal of Photonics for Energy. 2011. https://doi.org/10.1117/1.3534910
[5] Gopalakrishnan, S.; et al. A biodegradable chipless sensor for wireless subsoil health monitoring. Sci Rep. 2022, 12, 8011 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12162-z
[6] The Business Research Company. Agriculture Sensor Gglobal Mmarket Report 2023. The Business Research Company [online]. Jan 2023. [accessed 20 Nov 2023] Retrieved from: https://www.thebusinessresearchcompany.com/report/agriculture-sensor-global-market-report#:~:text=The%20global%20agriculture%20sensor%20market%20size%20grew%20from%20%241.49%20billion,(CAGR)%20of%2017.3%25.
[7] Agriculture Victoria. Choosing the right soil moisture monitoring device. Agriculture Victoria [online]. 29 Jun 2020. [accessed 20 Nov 2023] Retrieved from: https://agriculture.vic.gov.au/farm-management/soil/choosing-the-right-soil-moisture-monitoring-device#h2-6
[8] Streed, A.; et al. How Sustainable is the Smart Farm?. LIMITS 2021 Seventh Workshop on Computing within Limits June 14-15 2021 [online]. [accessed 20 Nov 2023] Retrieved from: https://computingwithinlimits.org/2021/papers/limits21-streed.pdf
[9] Tan; Q.; et al. Review of Research Status and Development Trends of Wireless Passive LC Resonant Sensors for Harsh Environments. Sensors. 2015, 15, 13097-13109. https://doi.org/10.3390/s150613097
[10] Sánchez, N.; et al. On the Synergy of Airborne GNSS-R and Landsat 8 for Soil Moisture Estimation. Remote Sensing. 2015, 7, 9954-9974. https://doi.org/10.3390/rs70809954