Aplicațiile actuale ale tehnologiei fotonice includ celulele solare. Tehnologia de precizie, asistată de tehnologia fotonică, permite un mod mai rapid, mai ușor, mai durabil și mult mai ieftin de a produce plante și animale, cred fermierii olandezi.
Fotonica, sau tehnologia luminii, a fost aplicată în multe domenii, cum ar fi telecomunicațiile (de exemplu, cablurile cu fibră optică), medicina (de exemplu, chirurgia cu laser) și echipamentele de consum, cum ar fi scanerele de coduri de bare și imprimante.
Acum se speră că această tehnologie poate fi valorificată în continuare prin intermediul agriculturii de precizie pentru a ajuta la menținerea aprovizionării cu alimente sigure și durabile pe termen lung.
Nu ne putem lipsi de agricultura de precizie, crede PhotonDelta, cu sediul în Olanda, hub-ul european pentru industria fotonică integrată.
Ce este fotonica integrată?
Fotonica este similară cu electronica. Cu toate acestea, în loc de electroni, folosește fotoni (lumina) pentru a transmite informații. Tehnologia fotonică detectează, generează, transportă și procesează lumina. Aplicațiile actuale includ celule solare, senzori și rețele de fibră optică. Cipurile fotonice, numite oficial Circuite integrate fotonice (PIC), integrează diverse funcții fotonice și adesea electronice într-un microcip pentru a face dispozitive mai mici, mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic. Potrivit PhotonDelta, deoarece sunt fabricate ca cipurile tradiționale, producția de masă este, de asemenea, la îndemână – cu o scădere a prețurilor ca urmare.
Prin intermediul procesului, plantele sau animalele primesc exact tratamentul de care au nevoie, determinat cu mare acuratețe datorită unei combinații de tehnologii precum robotica și biosenzorii miniaturizați. Acest lucru permite optimizarea producției, ceea ce duce la culturi mai durabile, producție sporită și siguranță alimentară mai mare: o condiție prealabilă pentru o aprovizionare cu alimente pe viitor.
Fotonica integrată este esențială pentru aceasta, insistă cultivatorii de la PhotonDelta, care susțin că cipurile fotonice sunt mai ușoare, mai mici și, prin urmare, mai scalabile decât alte soluții. Sistemele de senzori care rulează pe fotonică integrată ne asigură că în sectorul agricol și industria alimentară pot fi îndeplinite toate cerințele privind siguranța, sănătatea și durabilitatea.
Olanda a acumulat acum o experiență considerabilă cu fotonica integrată în agricultura de precizie, a remarcat Harrij Schmeitz, directorul Fruit Tech Campus din centrul de formare a cultivatorilor din Olanda/Țările de Jos. „ Există oportunități uriașe pentru fotonică în sectorul agroalimentar dacă putem transforma tehnologia în aplicații practice care să permită examinarea stării produsului atât la exterior, cât și la interior. ”
El citează un exemplu de fotonică integrată la cultivatorul de fructe Fruitmasters din Țările de Jos. „Ei folosesc camere relativ simple pentru a face 140 de fotografii în milisecunde ale fiecărui măr care trece pe banda de sortare. Acest lucru se face în 3D, complet automat. Sistemul îndepărtează merele urâte înainte de a fi împachetate pentru clienți, manual, deci este o mare îmbunătățire. ”
Între timp, fermierii de astăzi au nevoie să înregistreze o mulțime de date, care să le permită să planifice din timp și să învețe să ofere plantelor exact cantitatea potrivită de apă, lumină și nutrienți la momentul potrivit. Senzorii cu cipuri fotonice asigură nu numai capabilități prin care datele devin disponibile, ci și că fermierul le poate folosi apoi pentru a-și trata mai bine culturile sau animalele, a remarcat Schmeitz.
„A fost introdus și primul robot care folosește tehnologia camerei pentru a determina cât de mult să pulverizeze apa sau diferite substanțe asupra plantelor. Acesta calculează nevoile foarte repede, când trece pe lângă cultură.”
Fotonica în sectorul agroalimentar va aduce o schimbare în cultivarea controlată de plante și de arbori, a explicat el. „ Cu iluminarea cu LED-uri poți stimula creșterea culturilor în sere. Folosind diferite culori poți accelera acest lucru. În regiunea Westland, poți vedea sere violete, deoarece o plantă crește mai bine pe lumină roșie și albastră. Drept urmare, poți folosi mai puțină lumină, ceea ce duce la economii pentru fermier. ”
Productie durabilă
Aplicarea fotonicii în sectorul agroalimentar este ceva pe radarul cercetătorilor de la renumita Universitate Wageningen, de exemplu la Centrul de Cercetare OnePlanet (o colaborare între WUR, Universitatea Radboud și imec) și Universitatea de Tehnologie Eindhoven.
Oamenii de știință alimentară de la OnePlanet Research Center, Lex Oosterveld și Peter Offermans, au efectuat cercetări privind utilizarea fotonicii în industria alimentară și în cultivarea fructelor și legumelor.
„Inovațiile noastre tehnologice vizează producția durabilă de alimente de înaltă calitate din punct de vedere nutrițional și combaterea risipei de alimente”, a explicat Oosterveld. „De aceea, dezvoltăm tehnologie prin care calitatea produselor alimentare poate fi măsurată în mod direct, fără ca aceasta să fie necesară, analizate într-un laborator. Acest lucru ne permite să ajustăm direct procesul de producție.” Un exemplu este măsurarea glucozei în timpul proceselor de fermentație sau în fructe. „Următorul pas este ca acest lucru să fie complet automat, pe baza datelor în timp real. În acest fel, optimizăm procesul de producție și se evită risipa de alimente. ”
Azot
Centrul de Cercetare OnePlanet se concentrează, de asemenea, pe problema azotului prin dezvoltarea de sisteme de senzori pentru a măsura impactul asupra mediului în orașe și în jurul lor, cum ar fi în companii și grajduri. „Este important să mapați cu exactitate emisiile de azot, astfel încât să puteți reduce emisiile pe baza acestor date”, a continuat Offermans. „ În acest scop, am dezvoltat un senzor prototip care ne permite să măsuram cantitatea de nitrat, un indicator. al prezenței azotului, în apă prin intermediul luminii de diferite lungimi de undă.”Acest senzor funcționează pe baza cipurilor optice.
Sistemele de măsurare fotonică sunt relevante și pentru cultivarea fructelor și legumelor, a continuat Offermans: „ Un exemplu este monitorizarea maturității, care ajută produsul să fie recoltat în momentul optim. Acest proces asigură condițiile pentru ca produsul să aibă o calitate optimă la momentul consumului, prevenindu-se și risipa alimentelor. Senzorii bazați pe circuite optice integrate se potrivesc foarte bine în aplicațiile din sectorul agroalimentar, deoarece sunt potriviți pentru miniaturizare, pentru combinarea diferitelor tipuri de senzori și pentru producția scalabilă a soluțiilor noastre de măsurare. “
Utilizarea luminii infraroșii pentru a spori controlul calității în roșii și lapte
Un start-up care crede că tehnologia fotonică este cheia agriculturii inteligente este spin-off-ul TU Eindhoven, MantiSpectra, care produce senzori care pot ajuta la determinarea sănătății animalelor și plantelor.
CEO-ul Maurangelo Petruzzella și echipa sa au dezvoltat o aplicație practică în acest scop. „Privind de la exteriorul fructelor și legumelor, adesea nu poți spune care este cel mai bun moment pentru a recolta”, a spus el. „Fermierii se pot baza pe ani de experiență și pe instinctele lor, dar orice poate merge prost. Dacă vei culege prea devreme este posibil ca produsul să nu fi atins aroma maximă; dacă veți culege prea târziu, se poate deteriora. Fotonica este un instrument bun pentru aceasta. “
Petruzzella și colegii săi au dezvoltat un cip optic care folosește lumina infraroșie pentru a monitoriza maturitatea roșiilor. „Vrem să dezvoltăm acest cip într-un dispozitiv la îndemână pe care horticultorii să-l poată folosi pentru a intra în seră și a verifica roșiile individual, chiar înainte de recoltarea lor”, a explicat el. „Până acum, trebuie să alegeți o roșie și să o tăiați și să-i verificați prospețimea. Dacă este este coaptă ați tăiat-o în mod inutil. Același lucru este valabil, desigur, și dacă nu este încă coaptă. În acest caz este mai bine este mai bine să o lăsați pe plantă. “
Senzorul este potrivit și pentru a verifica calitatea laptelui nepasteurizat și dacă vacile au probleme de sănătate. Senzorul cu cip MantiSpectra detectează lumina infraroșie și poate folosi un algoritm pentru a determina rapid dacă laptele este bun. Nu numai că este mai precis și mai rapid, dar evită și tot felul de costuri suplimentare care sunt aferente în controale tradiționale, complicate, de calitate și irosirea laptelui bun, a insistat Petruzzella. „ Problema este că, de obicei, calitatea laptelui este măsurată doar în timpul procesării sale”, a explicat el. „Dacă puteți măsura acest lucru direct la fermieri, atunci veți ști și care este starea de sănătate a vacii”.
Cercetare, producție și aplicații
În timp ce MantiSpectra este un bun exemplu al numeroaselor aplicații pe care fotonica integrată le are de oferit, Oosterveld și Offermans se așteaptă că va mai dura încă cinci ani sau cam asa ceva înainte ca descoperirea majoră a fotonicii să aibă loc în sectorul agricol și încă aproximativ zece ani înainte ca aceasta să aibă loc în industria alimentară. Aici „implică adesea procese industriale complicate, care sunt mai puțin ușor de adaptat”, a remarcat Oosterveld, „ de aceea descoperirea acolo va dura puțin mai mult” .
