En los 12.000 años que han pasado desde que el ser humano empezara a utilizar la agricultura, la tecnología no ha dejado de aportar soluciones para mejorar la producción y el estado de los cultivos. La agricultura de precisión, basada en sensores inteligentes capaces de monitorizar todo tipo de valores relacionados con la salud y el crecimiento de las plantas, es clave para hacer frente a catástrofes como la persistente sequía.
Junto con soluciones más sencillas, como el ingenioso invento español que permite regar el campo gastando hasta un 70% menos de agua, es fundamental la mejora constante de los sensores para que sean más sensibles y fiables. Para poder maximizar la producción de los cultivos y reducir el consumo hídrico, expertos en química de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Rey Abdalá (KAUST) en Arabia Saudí han desarrollado el prototipo de un innovador sensor más rápido y preciso gracias al uso de nuevos materiales.
“La gestión del riego puede ayudar a mejorar la calidad de los cultivos, disminuir los costes agrícolas y preservar el agua”, sostiene Mohamed Eddaoudi, que dirigió junto con Khaled Salama la investigación, publicada ahora en la revista científica ACS Applied Materials & Interfaces. “Los sensores de humedad del suelo, muy sensibles y selectivos, ofrecen la posibilidad de mejorar el proceso de gestión del agua”, añade Salama.
Materiales MOF
Según los últimos datos de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET), los climas áridos se han duplicado en España desde los años 50 del siglo XX y avanzan a un ritmo de 1.500 kilómetros de extensión al año, el equivalente a la provincia de Málaga. En este tipo de climas, el estrés por déficit hídrico puede acabar con plantaciones enteras y significar la ruina para los agricultores. Una de las mejores soluciones para evitarlo son los sensores de humedad del suelo, que permiten optimizar el riego.
Existen varios tipos de sensores, según el método que utilizan para medir la humedad. Los sensores volumétricos miden directamente el contenido de agua del suelo. Por su parte, los tensiométricos analizan la tensión entre el agua y las partículas del suelo. Por último, los de estado sólido realizan el mismo trabajo a través de dos sondas que crean una interacción eléctrica dentro del suelo. Cuanta menos agua haya, menos resistencia eléctrica registran, ya que la corriente puede pasar fácilmente a través de ella. Este último es el tipo de sensor más común y económico, pero también el menos preciso.
Para mejorarlos a todos, los investigadores saudíes han desarrollado unos sensores de humedad inteligente en cuyo núcleo se encuentra una fina película metalorgánica (MOF) con una gran afinidad por el agua. Los MOF son materiales sintéticos muy porosos, que se utilizan por ejemplo para captar gases nocivos, cuya estructura interna en forma de jaula puede adaptarse para albergar moléculas pequeñas específicas como las del agua. “Gracias a su estructura porosa modular y a su fácil funcionamiento, los MOF son excelentes candidatos para aplicaciones de detección”, indica Osama Shekhah, otro de los científicos del equipo de Eddaoudi.
Los MOF utilizados en el estudio, obtenidos tras un complejo proceso que permite modular su estructura y propiedades a escala nanométrica, fueron seleccionados por parámetros como su excelente estabilidad hidrolítica, es decir, su capacidad de absorción del agua y resistencia a la descomposición química. “Exploramos varios MOF diferentes, entre ellos el Cr-soc-MOF-1 de alta porosidad, desarrollado por nuestro grupo en la KAUST, que puede captar el doble de su propio peso en agua”, explica la estudiante de doctorado Norah Alsadun.
Experimentos
El equipo recubrió con MOF microsensores de electrodos interdigitados, que pueden fabricarse mediante técnicas sencillas y económicas como la impresión por chorro de tinta o el grabado láser. Una vez introducido el sensor en suelo húmedo, el aire del MOF es desplazado por el agua. Eso altera su capacitancia eléctrica -la capacidad de un componente o circuito para recoger y almacenar energía en forma de carga eléctrica-, un proceso que puede medirse con gran precisión.
Cada sensor recubierto con distintos materiales MOF se probó en varios tipos de suelos, tanto arcillosos como arenosos, que suelen presentar diferencias significativas en cuanto a su textura y su capacidad de retención del agua. “En particular, el sensor de humedad del suelo recubierto con Cr-soc-MOF-1 mostró la mayor sensibilidad, de alrededor del 450% en suelos arcillosos, con un tiempo de respuesta de unos 500 segundos”, explica Salama.
Ahora, el equipo de la KAUST está diseñando y desarrollando un prototipo portátil de sensor de humedad del suelo basado en MOF para llevar a cabo nuevos experimentos de control en mediciones reales sobre el terreno. “Prevemos que esta investigación hará avanzar la tecnología de sensores de humedad del suelo de próxima generación, ofreciendo sistemas de riego automatizados y precisos”, añade Salama.
Las soluciones españolas
En España existen empresas muy concienciadas con la necesidad de aplicar las últimas tecnologías al campo para mejorar la producción y ahorrar agua. Hay soluciones basadas en sensores, como las que ofrecen Libelium o PRISMAB, que contribuyen a que el agricultor tenga un control preciso sobre valores como la temperatura, la salinidad o la humedad, además de crear alertas para notificar si el suelo está seco o si hay una helada.
Otras, como la zaragozana Paintec, se sirven de los satélites, drones y el Big Data para ofrecer una monitorización en tiempo real de todo lo que puede afectar a los cultivos. Sin embargo, entre ellas destaca por su sencillez, su precio y la facilidad de instalación la propuesta de la malagueña DeepDrop, que puede suponer un gran ahorro en agua y luz en plantaciones agrícolas y jardines.
Se trata de un novedoso sistema de riego patentado por Antonio Rico, un inventor malagueño de 82 años. Su funcionamiento permite ahorrar entre un 40 y un 70% el consumo de agua dependiendo del suelo y el tipo de cultivo y hasta un 60% de luz, en el caso de las plantaciones que utilizan bombeo de agua.
Su funcionamiento es tan eficaz como sencillo. Son goteros que, gracias a su diseño, permiten convertir el riego superficial en riego subterráneo, con todas las ventajas que eso conlleva y ninguno de sus inconvenientes, ya que se puede acceder fácilmente a ellos en caso de que se produzca cualquier tipo de atasco o mal funcionamiento. Al conducir el agua directamente a las raíces, además del menor gasto de agua, Deep Drop mejora considerablemente la salud de los cultivos.
