Investigación de la NASA lanza una nueva generación de agricultura de interior

El Minuto | Las Naciones Unidas predicen que la Tierra tendrá que alimentar a otros 2.300 millones de personas para el año 2050, la mayoría concentrados en centros urbanos lejos de las tierras de cultivo. Es posible que la agricultura actual no tenga la capacidad de alimentar a tanta gente y podría amenazar la producción futura al agotar los nutrientes esenciales del suelo y contaminar los suministros de agua dulce y el suelo con pesticidas y herbicidas.

Los agricultores convencionales están trabajando para hacer que sus campos sean más eficientes y productivos y menos dañinos para el medio ambiente, a veces con innovaciones y otro tipo de apoyo de la NASA , pero estos cambios son solo una parte de una solución a largo plazo.

La NASA ha estado trabajando durante décadas para abordar problemas similares para la exploración espacial. Reutilizar un suministro de agua limitado, minimizar el consumo de energía y eliminar el suelo como medio de crecimiento son solo algunas de las formas en que la agencia aprovecha los recursos limitados disponibles en el espacio. La investigación para resolver estos desafíos para cultivar plantas en un ambiente cerrado como una nave espacial inspiró a la NASA a construir la primera granja vertical en los Estados Unidos, creando una base para la industria agrícola de ambiente controlado sobre la cual construir. Las lecciones aprendidas están inspirando a una nueva generación de agricultores poco convencional.

Llamada agricultura de ambiente controlado o CEA, esta combinación de ciencia de las plantas y técnicas de control ambiental optimiza el crecimiento de las plantas dentro de un espacio cerrado. A diferencia de un invernadero tradicional, este nuevo enfoque vertical del cultivo aprovecha la tecnología y los datos para mantener las condiciones ideales de crecimiento en una estructura completamente cerrada. 

Estas herramientas hacen posible filtrar los contaminantes del agua para los cultivos (manteniéndolos fuera de los alimentos) y brindan el equilibrio de nutrientes exacto para alimentar cualquier cultivo a lo largo de su ciclo de vida. La iluminación artificial puede eliminar los efectos de la luz solar fluctuante, fomentando el crecimiento con una combinación precisa de luz roja, azul y verde beneficiosa con la intensidad y duración adecuadas. Los controles ambientales también mantienen la temperatura y la humedad adecuadas para prevenir enfermedades.

Estas prácticas podrían ayudar a alimentar a las florecientes generaciones futuras de la Tierra, dijo Nate Storey, director científico de Plenty Unlimited Inc., una de varias compañías que se basan en la investigación de crecimiento de plantas de la NASA con miras a llevar la agricultura al entorno urbano.

El modelo agrícola de Plenty utiliza menos del 1% del agua requerida por la agricultura tradicional y produce una cosecha constante durante todo el año, independientemente del clima. Construido dentro de las ciudades, este entorno de crecimiento también está completamente contenido, lo que elimina la amenaza de sequía o invasión de plagas. Interiores y verticales, estas granjas producen más cultivos en un área mucho más pequeña. La granja Plenty de dos acres produce aproximadamente los mismos rendimientos que una granja al aire libre de 720 acres. El enfoque produce plantas más frescas, saludables y sabrosas.

Después de décadas de investigación de la NASA, la industria de CEA se expandió dramáticamente en la década de 1990 debido en parte a cientos de millones de dólares invertidos por compañías de alta tecnología. Actualmente, algunas estimaciones valoran el valor del mercado mundial en alrededor de $ 2900 millones, y se prevé que el mercado de la agricultura vertical alcance los $ 7300 millones para 2025.

Toda la industria se basa en la investigación de la NASA, dijo Storey, y señaló que las publicaciones de la NASA y los estudios financiados por la demostró que la agricultura en ambiente controlado era posible y sentó las bases para una industria comercial viable.

Agricultura inspirada en el espacio

Desde el principio, la NASA sabía que necesitaba proporcionar alimentos a los astronautas además de construir su entorno de vida. La combinación de los dos requisitos dio como resultado un sistema de soporte vital bioregenerativo. Las plantas reciclarían los desechos en recursos, producirían oxígeno respirable y eliminarían el CO ₂ del aire, todo mientras proporcionaban alimentos frescos para complementar las comidas preparadas.

Los primeros experimentos utilizaron algas, pero convertir ese material vegetal en comida sabrosa era demasiado complicado, recordó Ray Wheeler, fisiólogo de plantas en el Centro Espacial Kennedy de la NASA en Florida. Entonces, el programa Sistema cerrado de soporte de vida ecológico (CELSS) comenzó a financiar investigaciones con universidades para identificar las mejores plantas para el espacio y sus condiciones ideales de crecimiento.

Mientras tanto, la agencia construyó un prototipo de cámara de crecimiento para replicar y ampliar los hallazgos de la universidad. La NASA necesitaba ampliar esos pequeños experimentos para confirmar que los cultivos comestibles podrían soportar adecuadamente a un astronauta antes de depender de dicho sistema, explicó Wheeler.

“Cultivar plantas o cultivos es un enfoque de soporte vital multifuncional”, dijo. Pero necesitábamos responder a la pregunta, ¿puedes hacer esto en un entorno cerrado como el que tienes en el espacio?

Como líder de la Investigación de Soporte Vital Avanzado, Wheeler ayudó a realizar experimentos de crecimiento en la Cámara de Producción de Biomasa, construida a fines de la década de 1980 dentro de una cámara hipobárica fuera de servicio que quedó de las pruebas de la cápsula espacial Mercury. El interior de la cámara se modificó para crear la primera granja vertical completamente operativa del país.

“El sistema recicló y reutilizó tanto como fue posible (agua, aire, nutrientes) haciéndolo autónomo, tal como tendrá que ser en el espacio o en otro planeta”, dijo Wheeler.

Las estanterías ajustables crearon niveles apilados verticalmente de bandejas hidropónicas . , con suficiente agua y nutrientes fluyendo a través de ellos. Entre cada estante, un banco de lámparas de descarga de alta intensidad simulaba la luz del sol. El aire circulaba a través del dosel de la planta y se ventilaba a través de las luces, lo que hacía posible eliminar el exceso de calor, controlar la humedad , y ayudar a mantener y medir otras condiciones ambientales. Se realizaron docenas de experimentos con plantas durante el funcionamiento casi ininterrumpido de la cámara entre 1988 y 2000, produciendo una “manguera de datos”. Wheeler dijo que el equipo midió múltiples puntos de datos, incluidos los rendimientos de biomasa, Eliminación de CO ₂ , producción de oxígeno y más. Las recetas de crecimiento (condiciones óptimas para una especie de planta) y otros datos se pusieron a disposición del público en bases de datos y cientos de informes técnicos y artículos revisados ​​por pares. Los estudios universitarios financiados por la NASA compartieron aún más resultados.

A partir de ese cuerpo de trabajo, Storey aprendió las técnicas y los beneficios de un sistema de circuito cerrado. Dijo que Plenty adoptó la técnica de película de nutrientes que empleó la NASA, cultivando plantas sin suelo y con un mínimo de agua. Este sistema hidropónico alberga plántulas en canales poco profundos, circulando una película constante de agua que contiene todos los nutrientes que requieren las plantas. Las raíces forman una estera gruesa en el canal, lo que les permite acceder tanto al aire como al agua que necesitan.

Pero la empresa con sede en San Francisco alberga este sistema en su propia infraestructura vertical. Torres altas de dos lados cuelgan del techo en filas con agua que fluye de arriba a abajo. Luego, el agua se recolecta y filtra, y sus nutrientes se reponen antes de recircular. Cuando las plántulas comienzan a crecer, el resultado es una pared de greens, un gran dosel vertical.

“Aprendimos que una gran superficie de cultivo mejoraba la uniformidad y el rendimiento de la planta: era más saludable para las plantas y más fácil de mantener”, dijo Storey. El manejo de la humedad y la temperatura en el dosel es más uniforme, lo cual es importante para apoyar un crecimiento sin estrés.

Al controlar cada elemento del medio ambiente, Plenty no necesita usar productos químicos nocivos como pesticidas y herbicidas. Pero la compañía está continuamente investigando formas de mejorar las condiciones de los cultivos.

Investigación y desarrollo de crecimiento de plantas

Las diferentes plantas requieren diferentes balances de agua, nutrientes, luz, flujo de aire y más. La NASA estudió y documentó toda esta información para docenas de especies, y ahora Green Sense Farms Holdings Inc. está utilizando parte de esa investigación individualizada de plantas para ayudar a los productores en la Tierra.

Habiendo obtenido información importante sobre el diseño de granjas y recetas de crecimiento de plantas de la investigación patrocinada por la NASA, la compañía ofrece servicios de I+D por contrato para la optimización del crecimiento de plantas, que se maneja en su granja vertical con clima controlado en Portage, Indiana. La instalación utiliza software patentado para ajustar las condiciones y recopilar datos sobre el crecimiento de las plantas. Este control y medición precisos hacen posible no solo optimizar cada variable que afecta a una planta, sino también seleccionar variedades de plantas, conocidas como cultivares, que mantienen un conjunto particular de características bajo condiciones específicas.

“Observaremos todas las variables y factores estresantes, probando muchos enfoques diferentes hasta que optimicemos el crecimiento de ese cultivar en un ambiente controlado”, dijo Robert Colangelo, presidente de Green Sense. Un ejemplo es probar la proporción de rojo a azul en las luces de cultivo LED, su intensidad y cuánto tiempo brillan en un día.

Este enfoque, basado en la investigación de la NASA, significa usar solo la parte del espectro de luz que necesita una planta, lo que también reduce el consumo de electricidad ( Spinoff 2010, 2018, 2019). Y el uso de un sistema de reciclaje de nutrientes de circuito cerrado permite la conservación de agua y nutrientes para cultivar de manera sostenible.

Green Sense también desarrolló una técnica para suspender el crecimiento de las plantas de cáñamo para adaptarse a los problemas causados ​​por las inclemencias del tiempo en las granjas al aire libre. Un conjunto de condiciones específicas mantiene a las plantas vivas y saludables sin crecer hasta que el clima permita la replantación.

La agencia proporcionó el punto de partida para esta investigación sobre las necesidades específicas de los tipos de plantas y la adaptación de las operaciones para satisfacer esas necesidades de manera eficiente, explicó Colangelo.

“Tienes que conservar todo cuando estás en el espacio”, dijo. “Entonces, cuando construimos nuestros sistemas, lo hicimos con eso en mente. Analizamos todo y lo diseñamos para tener la máxima eficiencia para conservar energía”.

Redefiniendo la ‘granja de datos’

El desarrollo de estos sofisticados sistemas de crecimiento requiere datos para validar y modificar las condiciones ideales y detectar problemas de manera temprana. Lo que se mide y cómo es esencial para las granjas verticales de Bowery Farming Inc., dijo Henry Sztul, director científico.

La empresa con sede en la ciudad de Nueva York construye granjas verticales urbanas personalizadas dentro de estructuras existentes, como almacenes vacíos, y distribuye productos locales a restaurantes y tiendas de comestibles.

Los sensores y cámaras ambientales en todas las instalaciones monitorean constantemente los cultivos y el medio ambiente. El sistema patentado de la compañía, denominado Bowery OS, utiliza aprendizaje automático e inteligencia artificial para dar sentido a esos datos y administrar cualquier ciclo de crecimiento de cultivos.

Así como una persona puede aprender a identificar quemaduras en las puntas de una hoja de lechuga, a las computadoras se les puede enseñar el mismo tipo de reconocimiento. Usando miles de fotografías tomadas en una granja, las computadoras aprenden a identificar problemas y ajustar cualquier parte del sistema, dijo Sztul.

Ampliar el modelo de crecimiento vertical basado en datos de la NASA para respaldar la producción comercial requería que la empresa innovara. Pero la NASA ha proporcionado experiencia adicional de una manera inesperada: personal capacitado. Algunos de los empleados de Bowery trabajaron en un esfuerzo financiado por la NASA para probar el crecimiento de las plantas en un hábitat espacial simulado en la Antártida. Como estudiantes, estos empleados adquirieron experiencia práctica mientras demostraban una cámara de crecimiento de plantas de circuito cerrado controlada de forma remota. Varios otros que trabajaron en la granja de la NASA en la Estación del Polo Sur también han aportado esa experiencia a la industria, incluido el ingeniero jefe de Green Sense Farms.

Con tres granjas en producción, Bowery planea expandirse a más lugares y diversificar sus cultivos. Pero la compañía también busca producir más variedades de cultivos actuales que prosperarán en un ambiente controlado. La capacidad de ajustar el entorno puede acelerar este programa de reproducción de 10 años a solo dos o tres, explicó Sztul.

Spuds especializados

Las granjas verticales no son la única parte de la industria de CEA que se beneficia de los crecientes éxitos de la NASA. Los productores de papa ahora están usando la técnica de película de nutrientes para cultivar semillas de papa en invernaderos. La agencia fue pionera en este método hidropónico para cultivar cultivos en la zona de la raíz como papas, batatas y maní, según Wheeler.

Los astronautas no podrán darse el lujo de tener tierra, por lo que la NASA desarrolló recetas para cultivar hidropónicamente algunos de estos cultivos básicos. Esta técnica tremendamente exitosa demostró su valía con un rendimiento récord de patatas.

El récord mundial de rendimiento de papa es de aproximadamente 89,000 libras por acre. Una prueba financiada por la NASA en una instalación de ambiente controlado en el Laboratorio Biotron de Wisconsin produjo un equivalente de 175,000 libras por acre, casi el doble de los mejores rendimientos cultivados en el campo.

CSS Farms LLC utiliza la misma práctica de película de nutrientes hidropónicos en sus invernaderos para cultivar patatas de siembra, también llamadas minitubérculos, para los clientes. La operación de cosecha durante todo el año utiliza muchas de las mismas técnicas que las granjas verticales de circuito cerrado (sistemas de crecimiento hidropónico y nutrientes cuidadosamente monitoreados personalizados para la variedad de la planta), pero en un ambiente menos controlado que depende del aire fresco y la luz solar.

A diferencia de las plantas que se cultivan a partir de semillas, como el maíz o el trigo, las papas se cultivan a partir de “papas de siembra”, ya sea tubérculos de papa cortados o minitubérculos que se pueden cultivar mediante hidroponía en invernaderos. Estos minitubérculos pueden enviarse fácilmente y luego plantarse en el campo, donde se convierten en plantas de papa que producen tubérculos grandes para consumo o procesamiento ( Spinoff 2000).

Usando las técnicas de la NASA, CSS, ahora un Productor de Semilla de Papa Certificado en Colorado, obtiene rendimientos impresionantes.

Los métodos de cultivo convencionales que utilizan una mezcla de tierra para macetas suelen producir cinco o seis minitubérculos por planta. “Cosecharemos dos o tres veces por semana durante un período de cosecha de aproximadamente 12 semanas en tres cosechas por año. En un sistema de película de nutrientes, puede obtener entre 30 y 50 minitubérculos por planta”, dijo Matt Barrow, gerente general de invernaderos de la compañía, que tiene su sede en Watertown, Dakota del Sur, pero opera en unos 10 estados.

Comiendo como astronautas

Los exploradores espaciales de larga duración se beneficiarán de este tipo de productos frescos, ya sea durante una estancia prolongada en la Luna o un viaje de ida y vuelta de tres años a Marte. Lo mismo es cierto para las personas en la Tierra, donde el cambio climático y el crecimiento de la población ya causan inseguridad alimentaria para muchas comunidades.

“Necesitamos ser mucho más inteligentes como sociedad para determinar qué cultivos deben cultivarse al aire libre y cuáles deben cultivarse en interiores”, dijo Colangelo. Comparó el uso de la agricultura vertical con un enfoque complementario a la agricultura de campo, al igual que los invernaderos se han convertido en una herramienta integral para el suministro de alimentos del mundo.

La industria está creciendo, pero el progreso es lento. A diferencia de las granjas convencionales, las operaciones agrícolas de ambiente controlado no reciben subsidios federales. Por lo tanto, las empresas individuales dependen de la inversión y las ventas privadas para crecer y ser rentables.

Las verduras de hojas verdes que crecen rápidamente y tienen una gran demanda, como la lechuga, la col rizada y las espinacas, son ahora los cultivos básicos. A medida que se agregan más frutas y verduras y aumentan las ganancias, la industria puede continuar expandiéndose.
Hasta entonces, el Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA) “todavía no tiene una regulación específica con respecto a la agricultura en ambiente controlado”, dijo Tianbao Yang, del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) del departamento, y agregó que los estrictos controles autoimpuestos de la incipiente industria han impedido la seguridad. de convertirse en un problema importante.

Sin embargo, el USDA-ARS ha organizado un comité para ayudar a los científicos de plantas a comprender cómo usar la tecnología de ambiente controlado de manera efectiva y consistente.

Este recurso, accesible tanto para la industria privada como para las instituciones educativas, también incluye la creciente experiencia desarrollada en la agencia espacial.

“Los investigadores de la NASA han hecho una gran cantidad de contribuciones para optimizar el crecimiento de las plantas en ambientes controlados”, dijo Yang. Por ejemplo, mi investigación se ha beneficiado de su investigación sobre los efectos de la luz en el crecimiento de los vegetales y la respuesta de las plantas al estrés.

A medida que la NASA continúa avanzando a través de experimentos en la estación espacial y en instalaciones terrestres para desarrollar un sistema de soporte vital para astronautas, estas innovaciones continuarán apoyando el crecimiento de la industria agrícola en ambiente controlado.