Une équipe de chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) a récemment mis au point une solution simple pour résoudre deux des plus grands problèmes du monde :la pénurie d'eau et la pénurie alimentaire. Ils ont créé un système solaire, dispositif entièrement automatisé appelé "SmartFarm" qui est équipé d'un matériau attirant l'humidité pour absorber l'humidité de l'air la nuit lorsque l'humidité relative est plus élevée, et libère de l'eau lorsqu'il est exposé au soleil pendant la journée pour l'irrigation.

SmartFarm présente un autre avantage :le processus de collecte de l'eau et d'irrigation peut être affiné pour s'adapter à différents types de plantes et au climat local pour une culture optimale. Le matériau hygroscopique utilisé dans la SmartFarm a déjà été testé par Hawai'i Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) pour son application de contrôle de l'humidité pour l'agriculture spatiale.

"L'humidité atmosphérique est une énorme source d'eau douce mais elle est restée relativement inexplorée. Dans ce travail, nous avons essayé d'atténuer les pénuries de nourriture et d'eau simultanément. Nous avons créé un matériau hygroscopique à base de cuivre et l'avons utilisé pour extraire l'humidité de l'air. Nous intégrons ensuite ce matériau dans un dispositif solaire entièrement automatisé qui utilise l'eau récoltée pour irriguer les plantes quotidiennement sans intervention manuelle, " a expliqué le chef de projet, le professeur adjoint Tan Swee Ching, qui est du Département de science et d'ingénierie des matériaux à NUS.

Ce travail a été publié dans l'édition imprimée de la revue scientifique Matériaux avancés en octobre 2020.

Un nouvel hydrogel comme technologie d'ancrage

Le composant clé du dispositif SmartFarm est un hydrogel à base de cuivre spécialement conçu, qui a été produit en utilisant un processus économique et rapide. Ce matériau est extrêmement absorbant, et absorbe l'humidité jusqu'à trois fois son poids. Après avoir acquis de l'humidité, l'hydrogel passe du brun au vert foncé et enfin au vert clair lorsqu'il est saturé d'humidité. Il libère également de l'eau rapidement sous la lumière naturelle du soleil :un gramme d'hydrogel à base de cuivre libère 2,24 grammes d'eau par heure.

L'équipe NUS a également testé la qualité de l'eau qui a été collectée à l'aide de l'hydrogel à base de cuivre, et a constaté qu'il répond aux normes de l'OMS pour l'eau potable. D'où, l'eau recueillie par l'hydrogel à base de cuivre est propre à la consommation et à l'agriculture.

Ces propriétés intéressantes le rendent attrayant pour une application dans le dispositif SmartFarm.

La nuit, le couvercle supérieur s'ouvre pour permettre à l'hydrogel à base de cuivre d'attirer l'humidité atmosphérique. Dans la journée, à une heure prédéfinie, le capot supérieur se ferme pour confiner la vapeur d'eau lui permettant de se condenser à la surface de l'enceinte, en particulier sur le capot supérieur. Des gouttelettes d'eau se formeront progressivement et lorsque l'humidité stockée dans l'hydrogel à base de cuivre sera complètement libérée, le capot supérieur s'ouvre automatiquement et les gouttelettes d'eau qui sont essuyées par les essuie-glaces parallèles tombent sur le sol pour irriguer les plantes. Les gouttelettes d'eau restantes sur les parois de l'appareil continuent de fournir un environnement humide pour une croissance saine des plantes.

Comme preuve de concept, l'équipe NUS a cultivé avec succès Ipomoea aquatica (communément appelé kangkong, un légume populaire en Asie du Sud-Est) à l'aide du dispositif SmartFarm.

Le professeur adjoint Tan a dit :« Le concept SmartFarm réduit considérablement la demande d'eau douce pour l'irritation et convient aux techniques d'agriculture urbaine telles que l'agriculture sur les toits à grande échelle. Il s'agit d'un pas en avant important dans la réduction de la pénurie d'eau et de nourriture dans un avenir proche.

« Nous avons également noué une collaboration avec HI-SEAS pour expérimenter l'application de notre hydrogel pour le contrôle de l'humidité dans des chambres de croissance de plantes extraterrestres. Nous espérons également explorer d'autres applications spatiales potentielles, " il ajouta.

Cultiver de la nourriture dans l'espace

HI-SEAS est une installation éloignée située sur les champs de lave du volcan Mauna Loa d'Hawaï, conçue pour simuler des missions de longue durée vers la Lune et Mars. Monsieur Benjamin Greaves, qui a rejoint la mission Lune simulée Selene II à HI-SEAS qui s'est déroulée de novembre à décembre 2020, utilisé l'hydrogel développé par l'équipe NUS pour contrôler l'humidité dans de petites serres expérimentales afin de cultiver et de maintenir des cultures de tournesol micro-vert comestibles et de cresson des montagnes pour les astronautes de la mission.

"Ce sont parfaits pour l'exploration spatiale, parce que nous avons un espace très limité pour faire pousser des plantes là-haut, mais ces micro-pousses regorgent encore de nutriments, vitamines et mineraux, ", a déclaré M. Greaves. Les plantes cultivées en hydrogel ont fourni un complément frais et bienvenu à la nourriture lyophilisée fournie pour la majeure partie de la mission.

Les expériences HI-SEAS ont montré que les hydrogels développés à NUS offrent un faible coût potentiel, solution à faible poids et à faible consommation d'énergie pour la culture de cultures dans des fermes autosuffisantes.

Nouvelles fonctionnalités

L'équipe NUS envisage que le dispositif SmartFarm puisse être encore amélioré avec des fonctionnalités supplémentaires avant de passer à la production à grande échelle et commerciale. Par exemple, une structure à plusieurs niveaux pourrait être conçue pour maximiser l'utilité des espaces sur les toits pour augmenter la production alimentaire, et un condenseur refroidi à l'air pourrait être ajouté à l'appareil si les plantes sont sensibles à la température.

Par ailleurs, pour se prémunir contre les jours nuageux prolongés, un système de chauffage pourrait être intégré dans le conteneur d'hydrogel à base de cuivre pour fournir une énergie thermique suffisante pour activer le processus de libération d'eau sans lumière solaire. En outre, le dispositif SmartFarm peut intégrer une capacité de mise en réseau sans fil pour permettre aux utilisateurs de surveiller et de contrôler le processus de culture à l'aide de smartphones.