La producción agrícola y la alimentación saludable se están convirtiendo en temas de gran interés a nivel mundial y, a su vez, la producción de cultivos de invernadero está creciendo rápidamente. Este método garantiza la seguridad alimentaria y protege los cultivos de gran valor de plagas y enfermedades. Gracias al uso de nuevas tecnologías y métodos los agricultores podrán hacer frente a retos como las condiciones climáticas cambiantes, los altos costes y la demanda de trabajo.

La capacidad para controlar la temperatura, la humedad, la luz y otros parámetros reduce la importancia de las condiciones meteorológicas. En los países del Mediterráneo, existen alrededor de 220.000 hectáreas ocupadas por invernaderos, de las cuales el 90% utilizan cubiertas de plástico y el 10% de cristal, de acuerdo con datos de la FAO (www.fao.org/3/a-i3284e.pdf). No obstante, este proceso precisa una gran cantidad de energía, directamente relacionada con el consumo de agua de los invernaderos. La utilización de sistemas de riego por goteo puede presentarse como una solución viable, aunque conlleva problemas adicionales con respecto a la degradación del mecanismo. Por otra parte, la cantidad de pesticidas empleados en los cultivos de invernadero debe controlarse con el objetivo de cumplir con la legislación. Actualmente, están comenzando a utilizarse sistemas de liberación controlada y pesticidas encapsulados, pero su utilización de manera conjunta es limitada y presenta todavía algunos problemas.

Dentro de los proyectos y estudios que se están desarrollando actualmente en el campo de la agricultura encontramos el proyecto AZMUD, que tiene como objetivo aportar soluciones a estas cuestiones mediante la optimización del rendimientode los invernadores del Mediterráneo gracias a la sinergia de diferentes tecnologías y con ello, reducir también los costes de producción hasta en un 15%.

La solución a estos problemas no es trivial, así que el proyecto AZMUD pretende hacer frente al reto de reducir el coste e incrementar la eficiencia de calefacción en cultivos hidropónicos mediante el desarrollo de un sistema de calefacción basado en el efecto Joule que calefactará las raíces de las plantas a partir de plásticos conductores. La energía requerida se suministrará a partir de paneles fotovoltaicos semitransparentes gracias a láminas de plástico integradas en los invernaderos. También se adaptará y optimizará un sistema de riego por goteo de baja energía en cultivos hidropónicos para incrementar el uso de aguas residuales y reducir la necesidad de agua y energía. En cuanto a los sistemas de riego, se ha identificado el potencial de las aguas residuales tratadas magnéticamente para aumentar la eficiencia del sistema de riego, un método que dará como resultado un mejor rendimiento de los cultivos de invernadero en cuanto a calidad y a cantidad. Este último desarrollo también permitirá controlar el número de patógenos o parásitos en plantas mediante la combinación de campos magnéticos, pesticidas de liberación controlada y otros parámetros agronómicos optimizados.

Otra de las soluciones que se contempla dentro del proyecto AZMUD es el desarrollo de un nuevo sistema de liberación controlada con polímeros biodegradables para encapsular pesticidas naturales. Éstos se incluirán en formulaciones botánicas innovadoras aptas para multitud de cultivos. Por otra parte, se están desarrollando films agrícolas que sean biodegradables en suelo y adecuados para su uso en el interior de invernaderos. Todo ello, será complementado mediante la utilización de herramientas TIC aplicadas a agricultura para el control de las condiciones climáticas.

Figura 1. Principales desarrollos del proyecto AZMUD.

Socios

Aimplas coordina el proyecto AZMUD, cuyo consorcio está formado por ocho socios de cinco países del área del Mediterráneo: Aimplas e Idai Nature (España), Smartwall (SW) (Francia), Packaging Industries Co. (PIC) y Methods for Irrigation and Agriculture (Mirra) (Jordania), el National Research Centre (NRC) y el Egyptian Russian Company for Advanced Agriculture Eco Farm (Ecofarm) (Egipto), y TABIT (Turquía).

El 1 de abril de 2020 dio comienzo el proyecto AZMUD y, actualmente, el proyecto se encuentra en el mes número diez. Durante los últimos meses, el trabajo de Aimplas se ha centrado en los diferentes aspectos técnicos: en primer lugar, el desarrollo de un sistema de calefacción local para las raíces de las plantas de cultivos hidropónicos estándar con la ayuda de plásticos conductores; en segundo lugar, el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada con polímeros biodegradables a medida que recubran y encapsulen pesticidas naturales adecuados para los cultivos; y, en tercer lugar, el desarrollo de films biodegradables para aplicaciones agrícolas que sean tres veces más resistentes que los films biodegradables usados actualmente. Los films que se desarrollen deben ser biodegradables en suelo.

En las áreas del Mediterráneo y otras zonas desérticas, la ventilación natural y el blanqueo o encalado son los métodos o sistemas más comunes para el control climático de los invernaderos durante la época estival. No obstante, la calefacción de los invernaderos es también clave en términos de cantidad y calidad para maximizar la producción de los cultivos y aumentar la eficiencia de los invernaderos. Los costes de dicha calefacción influyen en la rentabilidad y, a largo plazo, pueden determinar la supervivencia de la industria de los invernaderos. Además de los problemas asociados con el consumo masivo de energía, la calefacción está asociada con problemas medioambientales, como los gases de efecto invernadero. Los sistemas actuales de calefacción de los invernaderos, como los equipos de calefacción, la calefacción central, los intercambiadores de calor, son poco eficientes. La calefacción de la zona de la raíz se está volviendo popular como una técnica para ahorrar energía. Colocando los tubos de calefacción cerca de la base de las plantas o las raíces de las plantas se calientan mejor y con un patrón de calor más uniforme que el que se puede obtener con los calentadores de aire perimetrales o unitarios. Dependiendo del clima, el sistema de calefacción de la zona de las raíces proporcionará hasta el 75% de las necesidades totales de calor del invernadero.

Figura 2. Compuesto conductor obtenido en AIMPLAS.

Los polímeros son conocidos por sus propiedades de aislamiento eléctrico. Sin embargo, las cargas conductoras de electricidad pueden dispersarse dentro de las matrices poliméricas para aumentar la conductividad de los polímeros dando así materiales semiconductores. Algunos de las cargas conductoras que pueden usarse son negro de carbono, grafito, grafito expandido, nanografito, grafeno, fibras de carbono y nanotubos de carbono. No obstante, aparte del tipo de carga utilizada, las condiciones de procesado en los procesos de fabricación desempeñan un papel importante en las propiedades eléctricas finales de los compuestos producidos.

AZMUD tiene como objetivo reducir el coste y mejorar la eficiencia de los sistemas de calefacción mediante calentamiento local de las raíces de las plantas gracias a plásticos conductores de electricidad integrados en sistemas estándar de cultivos hidropónicos. El objetivo es alcanzar una temperatura de 22-23 °C para mantener las raíces en un estado óptimo en las noches frías. Los avances en estos primeros meses del proyecto están siendo exitosos ya que los resultados son bastante prometedores. El trabajo asociado a esta tarea terminará a mediados de 2021. Así pues, Aimplas ha definido el protocolo para desarrollar materiales poliméricos conductores. Inicialmente, el desarrollo de compuestos se ha centrado principalmente en la selección de materiales y la configuración del equipo. Con ello, se ha llevado a cabo un diseño de experimentos para seleccionar las mejores condiciones de procesado.

Para ello, se ha utilizado una extrusora de doble husillo para obtener compuestos conductores con diferente grado de dispersión mediante la variación de diferentes parámetros de procesamiento como la configuración del husillo, el tiempo de residencia del material en el interior de la extrusora y la velocidad del husillo.

En un primer paso se ha realizado el análisis de la dispersión de la carga en diferentes condiciones de procesado mediante la evaluación de la calidad de la dispersión por microscopía óptica y electrónica, la densidad de los aglomerados y la conductividad eléctrica superficial de los compuestos. Con este análisis, se llegó a la conclusión de que las mejores condiciones de procesado para lograr la mejor dispersión y una alta conductividad eléctrica eran trabajar con una configuración de husillo dispersiva, aumentar el tiempo de residencia del material y trabajar a alta velocidad de husillo.

Los siguientes pasos consistirán en la producción de los compuestos conductores a escala planta piloto usando la mejor configuración de husillo. A partir de estos compuestos se producirán prototipos, que se integrarán en un perfil hidropónico y se prepararán para la conexión eléctrica.

Los parámetros del sistema (como la posición del prototipo en el perfil del cultivo hidropónico, la longitud, el suministro de corriente continua, el tipo de sustrato, etc.) se optimizarán para que sean estables en un entorno de invernadero y minimicen el consumo de energía.