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Agricultura subaquática possível graças ao uso de simulação computacional

O projeto Jardim do Nemo está em andamento há uma década – desde 2012, quando a inspiração atingiu Sergio Gamberini enquanto ele estava de férias. A ideia de construir estruturas agrícolas submarinas nasceu de pensar nas melhores condições possíveis para o cultivo do manjericão.

O ambicioso objetivo do Jardim de Nemo é “criar um sistema alternativo de agricultura, especialmente dedicado às áreas onde as condições ambientais, econômicas ou morfológicas tornam extremamente difícil o crescimento das plantas”.

O sistema de jardinagem subaquática contém seis biosferas, e cada uma dessas esferas é constantemente monitorada. A temperatura do ar e a temperatura da água dentro das esferas são registradas vinte e quatro horas por dia. Os sensores de luz registram a iluminação para garantir que as plantas dentro das cúpulas recebam exposição suficiente à luz solar direta todos os dias. A medição das taxas de evaporação e condensação da água fornece uma ideia da umidade relativa dentro das esferas.

Monitoramento constante de várias características, cada uma apontada como a chave para o desempenho ideal? Parece um caso para simulação.

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Fonte:(https://www.engineering.com)

A parceria com a Siemens ajudou a Nemo’s Garden a refinar o design das biosferas e automatizar a entrada de dados e os processos de decisão. Se o objetivo de Nemo é a criação de um novo tipo de agricultura, então faz sentido que a sustentabilidade por si só não seja suficiente. Novos hardwares e softwares serão necessários para estudar a maneira como as coisas são feitas atualmente para desenvolver novos métodos. Vários estudos mostraram que os alimentos produzidos no mundo hoje podem não suprir as necessidades das pessoas de amanhã. Ao trazer a agricultura para debaixo d’água, mais área de superfície da Terra pode ser usada para atender a essa necessidade.

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Fonte:(https://www.engineering.com)

Agricultura subaquática para os dois bilhões de bocas famintas que chegarão até 2050

Quando Johnathan Foley desenvolveu seu plano de cinco etapas para alimentar o mundo em 2020, uma linha comum que o percorria era a ideia de que precisamos fazer mais usando menos. Prevê-se que o mundo abrigue nove bilhões de pessoas até 2050, e os dois bilhões de pessoas que ainda não estão aqui precisarão comer.

O primeiro passo no plano de Foley é parar o crescimento físico da agricultura. A agricultura está usando muito espaço para cultivar alimentos, com uma área total aproximadamente do tamanho da América do Sul sendo usada para cultivar, enquanto uma área do tamanho da África está sendo usada para criar gado. Foley disse que a agricultura está usando 38,6% das terras livres de gelo, ou 19,4 milhões de milhas quadradas para plantações e gado.

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Fonte:(https://www.engineering.com)

O segundo passo é cultivar mais alimentos nas terras que já estão sendo usadas para agricultura. A adoção de novas tecnologias e o foco na África, América Latina e Europa Oriental podem levar a produção nessas áreas aos níveis de produtividade agrícola de regiões mais desenvolvidas.

Usar os recursos existentes de forma mais eficiente é o terceiro passo, adotando estratégias da agricultura orgânica para reduzir o uso de água e pesticidas. Indiscutivelmente, a parte mais desafiadora do plano é uma mudança na dieta do mundo. Foley diz que cinqüenta e cinco por cento das plantações cultivadas hoje são usadas para alimentação, enquanto o restante vai para alimentar o gado ou produzir biocombustíveis.

O último passo é reduzir o desperdício, com cerca de cinqüenta por cento do peso dos alimentos produzidos no mundo atualmente sendo desperdiçados. As instituições de serviços de alimentação poderiam desenvolver medidas de redução de resíduos e as pessoas poderiam comer sobras com mais frequência.

Todas as cinco áreas de foco neste plano para alimentar o mundo têm a sensação de otimização para elas – ou pelo menos refinar e melhorar os processos que já temos em funcionamento. Ideias em escala lunar, como mover a agricultura debaixo d’água, não estão presentes no plano. O Jardim do Nemo e seu compromisso com a agricultura sustentável podem complementar as iniciativas já existentes, e o projeto está usando a tecnologia para se otimizar.

Digitalização, gêmeos digitais e o Xcelerator

A parceria entre Nemo’s Garden e Siemens abrange muitas fases diferentes do projeto da biosfera. Luca Gamberini, cofundador do Nemo’s Garden, e Alastair Orchard, vice-presidente de empreendimentos digitais da Siemens, responderam algumas perguntas sobre como os especialistas em agricultura subaquática usaram suas ferramentas de software. O Simcenter Amesim foi uma das primeiras ferramentas utilizadas para entender a relação entre o meio ambiente nas biosferas. Água, luz, calor, gás e eletricidade estão todos trabalhando juntos para cultivar plantas dentro do espaço.

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Fonte:(https://www.engineering.com)

O Mindsphere deu aos engenheiros da Nemo a capacidade de pegar os sensores já instalados e construir simulações. Ter um modelo vivo para comparar com as simulações do sistema da Internet das Coisas (IoT) forneceu aos engenheiros oportunidades para ajustar o sistema e construir gêmeos digitais mais fortes.

Os modelos NX do sistema foram utilizados para realizar estudos de análise de tensão. O gêmeo digital das esferas poderia ser colocado em uma versão digital da Baía de Noli para estudar as tensões das marés. Dados históricos foram usados ​​para estudar diferentes tamanhos das cadeias que amarram as biosferas ao fundo do mar, encontrando uma espessura otimizada. Dados de ondas mostrando velocidade, frequência, comprimento e direção ajudaram a construir um modelo de simulação topológica. Esse modelo foi então usado para estudar os efeitos positivos do aglomerado de esferas, esperando que a cobertura fornecida pudesse ajudar a impedir a erosão na costa.

Os engenheiros de CFD da Nemo usaram o software Simcenter STAR-CCM+ e HEEDS para otimizar o tamanho e a forma das esferas em relação ao volume interno das esferas e ao coeficiente de arrasto. Esses modelos também podem ser usados ​​para estudar áreas de escoamento ao redor das esferas de forma singular e em aglomerados. Por exemplo, áreas onde ocorre fluxo rápido podem ser direcionadas para colocar microturbinas e gerar energia no futuro, enquanto áreas de fluxo lento podem ser uma preocupação se as algas puderem se acumular na superfície da esfera, eventualmente se arrastando até o ponto onde a luz solar não pode chegar eficientemente às plantas no interior.

Os fluxos de câmera que monitoram as biosferas foram usados ​​pela divisão de tecnologia corporativa da Siemens em Princeton, Nova Jersey, para criar um algoritmo de aprendizado de máquina. Este algoritmo foi treinado para entender a condição de cada planta em cada esfera, encontrar a combinação certa de condições de esfera para maximizar a taxa de crescimento de cada planta e prever a data ideal para a colheita.

A ferramenta de manufatura digital Process Simulate modelou formas que os humanos poderiam existir e interagir dentro de uma esfera. Um estudo foi então produzido para entender como diferentes efetores em braços robóticos podem atingir plantas em diferentes fases do envelope de crescimento.

O que tudo isso significa?

Do ponto de vista de pura inspiração de engenharia, é emocionante pensar que Sergio Gamberini foi capaz de levar duas grandes paixões em sua vida e desenvolver um projeto enorme para mudar a maneira como pensamos sobre a agricultura. O Jardim de Nemo é um ótimo exemplo para professores que ensinam matrizes morfológicas como uma ferramenta para gerar ideias – um engenheiro adorava mergulho e jardinagem, então ele encontrou uma maneira de fazer as duas coisas ao mesmo tempo.

Se setenta e um por cento da terra está coberta de água, descobrir como cultivar esse espaço é um esforço que vale a pena. Nemo’s Garden observa que, à medida que o projeto se desenvolve, ainda mais possibilidades se abrem para as biosferas. Ecoturismo, piscicultura, cultivo de algas marinhas e instalações de laboratórios subaquáticos são extensões práticas, uma vez que uma comunidade agrícola robusta tenha sido estabelecida.

Se a única coisa que nos impede de realizar nossas ambições Sealab é um forte suprimento subaquático de alimentos e agricultura, então estou pronto para o futuro.

A produção de alimentos é um dos problemas iminentes que a sociedade tem ignorado em grande parte na última década, enquanto engenheiros e futuristas apontam a crise que se aproxima. Assim como o acesso à água, a produção de energia e as mudanças climáticas, a produção de alimentos é um dos grandes desafios da engenharia que provavelmente exigirá que várias soluções de várias áreas sejam atendidas para ter sucesso. Se um dos grandes objetivos da simulação é economizar tempo dos engenheiros no início de um projeto, então este é o momento de todos nós usarmos ferramentas preditivas enquanto trabalhamos para salvar o planeta. Para saber mais sobre o Nemo’s Garden acesse o site.

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