Vertical farming goes dynamic: optimizing resource use efficiency, product quality, and energy costs
Kaiser E., Kusuma P., Vialet-Chabrand S., Folta K., Liu Y., Poorter H., Woning N., Shrestha S., Ciarreta A., Van Brenk J., Karpe M., Ji Y., David S., Zepeda C., Zhu X.-G., Huntenburg K., Verdonk J.C., Woltering E., Gauthier P.P.G., Courbier S., Taylor G. and Marcelis L.F.M.
Front Sci (2024) 2:1411259. https://doi.org/10.3389/fsci.2024.1411259
L’agricoltura verticale (“Vertical Farming Systems”; VFS) è una delle soluzioni per fornire alimenti sani e ricchi di vitamine ad una popolazione in crescita, in particolare nelle grandi città e nelle aree dove il clima può rappresentare un ostacolo alla coltivazione in pieno campo. Coltivare ortaggi in VFS vuol dire disporre le colture in strati sovrapposti o pareti verticali all’interno di edifici, utilizzando ambienti controllati per garantire una crescita ottimale delle stesse. Nonostante i numerosi vantaggi che offre questo sistema di coltivazione (es. controllo dei parametri climatici, basso uso di suolo, basso uso di pesticidi, gestione efficiente della risorsa idrica), uno svantaggio dei VFS è legato principalmente all’uso eccessivo di energia per la gestione della radiazione luminosa artificiale e del clima, rappresentando il 20-40% dei costi totali di gestione. L’esigenza di utilizzare la radiazione artificiale (es. luci LED – dall’inglese: Light Emitting Diodes) per un periodo prolungato di tempo è dovuta al fatto che nei VFS la radiazione solare è assente; questo contribuisce al 60-85% dell’energia utilizzata nei VFS. Di conseguenza, produrre 1 kg di ortaggi da foglia costa 3-4 volte di più in VFS che in una serra moderna. Da qui, l’obiettivo di questo studio condotto da ricercatori esperti del settore : proporre una gestione dinamica del VFS, in cui diversi fattori ambientali vengono continuamente regolati in base alle esigenze delle piante in tempo reale, considerando anche i prezzi dell’elettricità, per rendere più efficienti i VFS nell’affrontare le sfide del futuro per questo settore.
Le compagnie elettriche applicano spesso tariffe elevate nelle ore di punta, ma un sistema di controllo dinamico può ottimizzare il consumo energetico dei LED, mantenendoli accesi quando il costo è minore. È stato dimostrato che, l’uso di illuminazione artificiale dinamica, in base alle fluttuazioni dei prezzi in Olanda, ha portato ad un aumento dell’area fogliare specifica di pak choy (Brassica rapa subsp. chinensis L.) e rucola (Diplotaxis tenuifolia L.) rispetto alla luce costante, suggerendo che queste specie, avendo foglie sottili, utilizzano meglio la biomassa fogliare per catturare la radiazione. Un ulteriore studio presso l’Università di Wageningen (Olanda) ha dimostrato che l’aumento graduale del DLI ogni tre giorni porta all’incremento del 12% del peso secco della lattuga, rispetto a un DLI costante, pur utilizzando la stessa quantità di radiazione totale. Questo miglioramento è stato attribuito alla capacità delle piante di sfruttare al meglio l’alta intensità luminosa con un elevato indice di area fogliare.
Anche la qualità della radiazione ha un ruolo cruciale sulla crescita delle piante. Nell’esperimento condotto da un team di ricercatori americani e cinesi, riportato in questa rassegna, l’applicazione di 5 secondi di luce far-red (FR) (100 µmol m−2 s−1), seguiti da 5 secondi di buio, ripetuti per 96 ore su piantine di rapa (Brassica rapa L.) e colza (B. napus L.), ha prodotto un allungamento simile dell’ipocotile rispetto a un regime di 5 secondi di FR e 10 secondi di buio, con una riduzione del 33% della quantità di radiazione utilizzata. Sebbene l’effetto della luce FR sulla morfologia delle piante possa essere vantaggioso è stato dimostrato che la luce FR può compromettere la resistenza delle piante ai patogeni.
Infine, anche se questa tipologia di gestione dinamica dei VFS è molto promettente, ci sono ancora molte sfide da affrontare. Le piante richiedono condizioni ambientali (temperatura, umidità, CO2 e luce artificiale ) diverse in momenti differenti del loro ciclo di crescita o in diversi momenti della giornata, rendendo complessa la gestione ottimale del sistema. Attualmente, la gestione si basa principalmente sull’esperienza degli agricoltori ma in futuro grazie al supporto di programmi informatici si potranno definire algoritmi in grado di predire le esigenze delle piante e successivamente aiutare a impostare le migliori condizioni di crescita.