De nombreuses exploitations agricoles dans les régions sujettes à la sécheresse des États-Unis comptent sur l'irrigation goutte à goutte comme méthode d'économie d'eau pour faire pousser des cultures. Ces systèmes pompent l'eau à travers de longs tubes minces qui s'étendent à travers les champs agricoles. Des centaines de goutteurs de la taille d'une pièce de dix cents le long de chaque tube font couler l'eau directement sur la base d'une plante. Un agriculteur peut contrôler le moment et la quantité d'arrosage, fournissant seulement autant d'eau qu'une culture en a besoin.

L'irrigation goutte à goutte peut réduire la consommation d'eau d'une ferme jusqu'à 60 pour cent et augmenter le rendement des cultures de 90 pour cent, par rapport aux méthodes d'irrigation conventionnelles. Mais ces systèmes sont chers, en particulier dans les environnements hors réseau où ils coûtent plus de 3 $ aux agriculteurs, 000 par acre à installer.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont trouvé un moyen de réduire de moitié le coût des systèmes de goutte à goutte à énergie solaire, en optimisant les goutteurs. Par ailleurs, ces nouveaux goutteurs permettent de diviser par deux la puissance de pompage nécessaire pour irriguer, réduire la facture énergétique des agriculteurs. L'équipe a modifié les dimensions des goutteurs de manière à réduire considérablement la pression requise pour pomper l'eau dans tout le système, tout en délivrant la même quantité d'eau.

L'équipe, dirigé par Amos Winter, professeur assistant en génie mécanique, envisage de modifier encore le système en amont, optimiser la tubulure, filtres, pompes, et un système d'énergie solaire pour finalement rendre l'irrigation goutte à goutte abordable pour les agriculteurs des régions en développement du monde.

« De nombreux petits agriculteurs en Inde ne gagnent que quelques centaines de dollars par an, donc un système d'irrigation goutte à goutte est bien en dehors de leur prix, " Amos dit. " Les systèmes de goutte à goutte à faible coût pourraient les aider à augmenter leur rendement et leurs revenus, pour qu'ils puissent sortir du cycle de la pauvreté."

L'équipe a publié sa théorie de l'ingénierie sur la conception des goutteurs dans PLOS Un . Les co-auteurs de l'article sont l'auteur principal et étudiant diplômé Pulkit Shamshery, ancien postdoctorant du MIT Ruo-Qian Wang, et de premier cycle Davis Tran.

"La balle d'argent"

Aujourd'hui, les agriculteurs en Inde et dans d'autres régions en développement du monde cultivent principalement en utilisant l'irrigation par inondation, un ancien, méthode low-tech qui consiste à inonder les champs avec des eaux fluviales ou souterraines redirigées. Bien que cette méthode soit peu coûteuse, les agriculteurs ont peu de contrôle sur quand et combien arroser leurs cultures. L'irrigation par inondation est également inefficace, car la plupart de l'eau non absorbée par les plantes s'évapore ou s'écoule.

"La solution miracle ici est l'irrigation goutte à goutte… mais c'est exorbitant, " dit Winter. " Le principal inducteur de coûts est la pompe et le système d'alimentation. Cela a posé les bases de notre projet de recherche :pourrions-nous fabriquer des goutteurs fonctionnant à des pressions beaucoup plus basses, et ainsi réduire la puissance de pompage et les coûts d'investissement ?"

Pour faire ça, les chercheurs ont entrepris de caractériser le comportement des goutteurs existants « à compensation de pression », des goutteurs conçus pour maintenir un débit constant, quelle que soit la pression d'eau initiale qui est appliquée. Une telle caractéristique permet à chaque goutteur le long d'un tube de fournir le même débit d'eau dans un champ agricole, quelle que soit la distance entre un goutteur individuel et la pompe centrale.

La plupart des systèmes d'irrigation goutte à goutte conventionnels sont conçus pour faire fonctionner les goutteurs à une pression d'au moins 1 bar. Maintenir cette pression demande de l'énergie, qui constitue la principale dépense d'investissement dans les systèmes d'irrigation goutte à goutte hors réseau, et le principal coût récurrent dans les systèmes connectés au réseau. Winter et Shamshery visaient à concevoir des goutteurs à compensation de pression pour fonctionner à 0,1 bar, soit un dixième de la pression des systèmes commerciaux. Cette réduction peut réduire de moitié à la fois la puissance requise pour pomper l'eau à travers les goutteurs et le coût d'investissement d'un système de goutte à goutte hors réseau.

Goutte à goutte évolutive

L'équipe a entrepris de caractériser les caractéristiques des goutteurs qui produisent un effet de compensation de pression. Pour faire ça, ils ont d'abord généré un modèle de goutteur conventionnel à compensation de pression dans MatLab, un programme de calcul numérique qui permet aux chercheurs de modifier les dimensions d'un modèle pour produire un changement de comportement. Dans ce cas, Shamshery a étudié la dynamique de l'eau s'écoulant à travers le goutteur modélisé, puis a proposé une description mathématique pour expliquer comment les caractéristiques internes d'un goutteur affectent le débit du fluide et la pression de l'eau.

Shamshery a ensuite couplé le modèle mathématique à un algorithme génétique - un programme informatique qui simule l'évolution de, dans ce cas, divers paramètres dans un dripper. Par exemple, l'équipe a sélectionné une gamme de dimensions pour certaines caractéristiques et testé leur comportement d'écoulement en simulation. Ils ont rejeté les dimensions qui produisaient une pression d'eau indésirable, et a gardé les meilleurs interprètes, qu'ils ont réintroduit dans l'algorithme avec un nouvel ensemble de dimensions.

"Nous laissons cela évoluer sur plusieurs générations, " explique Shamshery. " Vous finissez par exprimer les caractéristiques et les géométries qui vous donnent de bonnes performances, et vous tuez les caractéristiques qui vous donnent de mauvaises performances."

Ils ont fait évoluer les dimensions du goutteur vers une géométrie qui a produit un débit optimal avec une pression initiale aussi basse que 0,15 bar. En utilisant ces dimensions optimales, l'équipe a fabriqué quelques prototypes de goutteurs et les a testés en laboratoire, avec des résultats correspondant à leurs simulations.

Vers le solaire

Winter travaille maintenant avec l'Agence des États-Unis pour le développement international (USAID) et Jain Irrigation, un important fabricant de systèmes d'irrigation goutte à goutte, tester les drippers optimisés au Maroc et en Jordanie, où il dit qu'il y a une pression pour faire passer les agriculteurs à l'irrigation goutte à goutte.

"Avec ces goutteurs, les agriculteurs pauvres peuvent désormais cultiver des cultures à plus forte valeur ajoutée, comme les cultures de contre-saison qu'ils ne pourraient faire pousser sans pluie, et gagner plus d'argent pour essayer de sortir de la pauvreté, " Winter dit. "Dans des endroits comme la Californie, avec une histoire de pannes, cela signifie non seulement moins de consommation d'eau, mais moins d'énergie [utilisée] pour l'agriculture."

Prochain, l'équipe prévoit d'optimiser le reste du système d'irrigation goutte à goutte, ce qui réduira encore le coût du système. Les chercheurs piloteront des systèmes d'irrigation goutte à goutte à énergie solaire en Jordanie et au Maroc avec l'USAID au cours des deux prochaines années.

"Il s'avère qu'il existe un énorme marché inexploité dans les situations hors réseau, " dit Winter. " Si vous regardez le monde en développement, il y a environ un demi-milliard de petites fermes avec 2,5 milliards de personnes. Pour eux, cette technologie pourrait changer la donne."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.