Las heladas primaverales pueden tener efectos devastadores en la producción de manzanas, y un clima más cálido puede estar provocando que los árboles florezcan temprano, haciéndolos más susceptibles a los efectos dañinos de los eventos de frío extremo.
por Jeff Mulhollem, Universidad Estatal de Pensilvania
Los intentos de los productores de evitar que las flores se congelen intentando calentar las copas de sus huertos han sido en gran medida ineficaces.
Para hacer frente al empeoramiento del problema, los investigadores de Penn State idearon un sistema ciberfísico de protección contra heladas que toma decisiones de calefacción basadas en datos de temperatura y dirección del viento en tiempo real . El sistema consta de un dispositivo sensor de temperatura, un calentador alimentado con propano que ajusta su dirección y ángulo automáticamente dependiendo de la dirección del viento, y un vehículo terrestre no tripulado para mover el sistema de calefacción a través de un huerto de manzanos .
Los hallazgos, publicados recientemente en Computers and Electronics in Agriculture , muestran que el sistema ciberfísico de protección contra heladas redujo en gran medida el daño a las yemas de los manzanos en dos pruebas realizadas a bajas temperaturas. En comparación con secciones similares de huertos desprotegidos cercanos, la implementación del sistema ciberfísico de protección contra heladas en una prueba duplicó con creces el tiempo que estuvo protegido el dosel del área de prueba y casi triplicó el tiempo en otra.
La aplicación de calor es uno de los métodos más eficaces para prevenir el daño de los botones florales del manzano; sin embargo, los productores luchan por determinar cuándo y dónde aplicar calor en sus huertos, según el investigador Long He, profesor asistente de ingeniería agrícola y biológica, autor correspondiente de el estudio. A menudo no tienen mano de obra disponible para realizar la calefacción, dijo, lo que lleva a una disminución de las cosechas de manzanas o a un desperdicio de energía.
Los productores saben que los botones florales de los manzanos pueden dañarse cuando la temperatura cae por debajo de los 30°F, pero se ven disuadidos de tomar medidas protectoras activas porque el viento puede hacer que los esfuerzos de calentamiento sean ineficaces.
«El viento a menudo se trata como un factor incontrolable cuando los productores implementan tareas de calefacción en los huertos porque afecta en gran medida el rendimiento de la calefacción», dijo. «Para superar los desafíos que enfrentan los productores, desarrollamos un sistema capaz de monitorear el medio ambiente y tomar acciones en respuesta a los datos monitoreados, utilizando sensores de temperatura y viento para percibir los cambios ambientales y luego tomar las decisiones de calefacción correspondientes».
Este estudio, que tuvo lugar en el Centro de Investigación Agrícola Russell E. Larson de Penn State, fue solo el último realizado por el grupo de investigación centrado en la agricultura inteligente en el Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica. El primer autor, Weiyun Hua, asistente graduado, determinó por primera vez patrones de transferencia de calor en un huerto de manzanos utilizando imágenes capturadas por una cámara térmica aérea basada en un dron y un modelo numérico validado.
Luego incorporó los hallazgos de una investigación publicada anteriormente , realizada por el grupo que creó un algoritmo para identificar las etapas de la flor de la manzana y desarrolló un mapa de temperatura de daño crítico que se hizo utilizando una cámara aérea basada en un dron. Esa investigación también utilizó una cámara de imagen térmica basada en un dron para determinar un mapa de temperatura, que se utilizó para generar un mapa de demanda de calor. Hua utilizó toda esa información para planificar el camino del vehículo terrestre no tripulado para realizar tareas de calefacción.
El costo total del equipo utilizado para construir la unidad de prueba en este estudio fue de aproximadamente 5.000 dólares, señaló Hua, incluyendo principalmente el vehículo por 4.500 dólares, el calentador por 200 dólares y las microcomputadoras por 100 dólares.
«En su mayoría, las piezas estaban disponibles en el mercado», dijo. «El vehículo terrestre no tripulado es una cortadora de césped eléctrica, sin el asiento y la plataforma de corte y con los controles autónomos instalados. El calentador que utilizamos era un calentador comercial, pero no era un calentador para huerto, era un calentador interior. Entonces, La fabricación que hice fue principalmente modificar pequeños componentes para unir el sistema».
Un aspecto especialmente innovador del sistema fue el componente que Hua ideó para girar y ajustar automáticamente el calentador. Los investigadores aprendieron del modelo numérico desarrollado que necesitaban aplicar calor en contra de la dirección del viento de fondo para reducir la pérdida de calor del huerto. E investigaciones anteriores habían demostrado que un ángulo de 15 grados (aproximadamente los dos en la esfera de un reloj) entre la salida del calentador y la hilera de árboles proporcionaba la máxima utilización de energía.
«Queríamos asegurarnos de que la temperatura del aire superara las temperaturas críticas y dañinas para las flores de manzano», dijo Hua. «Si el calentador apunta en una dirección en la que fluye con el viento, el calor sale del huerto muy rápidamente. Pero si lo giramos, de modo que mire más hacia el viento, entonces el calor se distribuye más ampliamente».
Paul Heinemann, miembro del equipo de investigación y profesor de ingeniería agrícola y biológica en la Facultad de Ciencias Agrícolas, señaló que se necesita más investigación para impulsar esta tecnología al mercado y ponerla a disposición de los productores de manzanas . Pero dijo que cree que este estudio muestra una prueba de concepto y demuestra lo que es posible.
«Una de las cosas que obtuvimos de este proyecto es que, si tuvieras un huerto muy grande, podrías tener una planificación de caminos que involucrara múltiples unidades con múltiples calentadores funcionando entre las hileras de árboles guiados por un dron aéreo que monitorea las temperaturas del dosel», dijo. dicho.
«El dron aéreo enviaría una señal a un vehículo con unidad de calefacción que le diría: ‘conduce hasta este lugar, porque hace demasiado frío allí'». Y luego podría indicarle a una unidad de calefacción diferente que vaya a otro lugar. Por los modelos sabemos cuánto calor hay que poner allí y cuánto tiempo pasará antes de que se enfríe de nuevo».
Eso garantizaría que no haya conflictos, evitando que dos unidades vayan al mismo lugar, añadió Heinemann.
«Esta investigación muestra que podemos mejorar la eficiencia del uso de múltiples calentadores alrededor de un huerto, usando menos energía para calentar pero asegurando que lleguemos a todos los puntos fríos», dijo.
Más información: Weiyun Hua et al, Sistema ciberfísico de protección de copas (CPCPS) para la gestión agrícola inteligente de los daños por heladas en huertos de manzanos, Computadoras y electrónica en la agricultura (2024). DOI: 10.1016/j.compag.2024.108611
