Il futuro intelligente dell’agricoltura

Come può il nostro pianeta dare da mangiare a nove o dieci miliardi di persone? Lo «smart farming» rappresenta una parte importante della risposta a questa cruciale domanda: altissima efficienza nella produzione di cibo attraverso l’uso mirato delle più recenti tecnologie, supportate da computer e, dove possibile, completamente automatizzate. I semi sono piantati individualmente e con precisione; i frutti sono raccolti accuratamente da pinze meccaniche; i fertilizzanti e i prodotti fitosanitari sono applicati in piccole dosi e in modo mirato. Queste operazioni richiedono un gran numero di piccoli motori elettrici che siano allo stesso tempo robusti e potenti.

Che si tratti di computer quantistici, di turismo spaziale o di tecnologie basate sull’idrogeno, l’avanguardia tecnologica si concentra su argomenti in continua evoluzione. Stranamente, quello spesso trascurato è proprio il settore più importante: l’agricoltura. Questo nonostante sia stata in grado finora di nutrire in modo affidabile una popolazione in crescita esponenziale. La rivoluzione agricola, iniziata nel 18º secolo, ha permesso di aumentare enormemente i raccolti. Questa è basata su un crescente uso di varietà ad alto rendimento, su fertilizzanti minerali e pesticidi chimici, sulla meccanizzazione e sull’irrigazione artificiale su larga scala. Tuttavia, questi interventi non sono privi di effetti collaterali indesiderati sull’ecologia.

Tutte le previsioni demografiche ben fondate ci dicono che la popolazione mondiale raggiungerà un numero compreso tra i nove e i dieci miliardi di persone entro la fine di questo secolo. La Terra ha il potenziale per fornire cibo a sufficienza anche a un numero così elevato di esseri umani. Tuttavia, l’agricoltura si trova di fronte a una sfida di enormi proporzioni. Le coltivazioni e gli allevamenti devono produrre di più senza mettere in pericolo le risorse vitali. Terreni fertili, falde acquifere pulite ed ecosistemi intatti sono le nostre risorse più preziose e, quindi, vanno salvaguardate a ogni costo.

Al centro c’è la pianta, non più il campo
Finora, diverse importanti fasi di lavoro della coltivazione, come la semina, la concimazione e le misure di protezione delle piante si sono basate sulla superficie del terreno. Quando si spargono semi o pesticidi, si calcola la quantità per acro o ettaro; le macchine distribuiscono il materiale con la portata adeguata. Tuttavia, può capitare che una parte di queste sostanze, come ad esempio del fertilizzante azotato, invece di rafforzare le piante raggiunge le falde acquifere inquinandole. Attività come la potatura degli alberi da frutto o la raccolta di varietà di frutta e verdura delicate richiedono un lavoro manuale dal costo elevato, mentre sempre più imprese si trovano ad affrontare una carenza di personale.

Lo «smart farming» utilizza tecnologie moderne per migliorare l’efficienza dell’agricoltura, sfruttare tutte le risorse in modo più parsimonioso, alleviare le persone dal lavoro monotono e aumentare i raccolti. In questo contesto si parla anche di agricoltura di precisione, agricoltura digitale o «e-farming». Utilizzando processi supportati da computer e collegati in rete in combinazione con l’apprendimento automatico e delle funzioni robotiche personalizzate, è possibile concentrare l’attenzione sulle singole piante anziché sul campo nel suo insieme.

L'uso mirato di fertilizzanti ed diserbanti riduce la contaminazione dei terreni

Quanto più le misure sono destinate direttamente alle piante, tanto più queste misure possono essere utilizzate in modo economico ed efficiente. Ad esempio, si può ridurre notevolmente l’uso di erbicidi se questi vengono applicati alle singole piante in modo più mirato. Frutta e verdura possono essere raccolte dai robot in passaggi continui, sempre a maturazione ottimale.

I robot da campo leggeri e autonomi permettono inoltre di proteggere il terreno. Oggi le grandi macchine agricole possono raggiungere un peso di dieci tonnellate. Di conseguenza, ogni passaggio comporta un’ingente compattazione del terreno, che limita notevolmente la capacità dello strato di terreno interessato di assorbire acqua e aria, con un forte impatto sulle sostanze organiche del terreno; anche la crescita e la salute delle piante coltivate nelle aree vicine al tragitto dei macchinari ne risentono. Lo «smart farming» può contribuire a rendere il suolo più sano e ad aumentare la biodiversità.

L’automazione in agricoltura e orticoltura
Sebbene al momento molte applicazioni esistano solo sotto forma di studi o prototipi, lo «smart farming» viene già messo in pratica, ad esempio nella semina di precisione. In questo metodo, originariamente sviluppato in ambito di ricerca e allevamento di semi, le macchine sono in grado di piantare i singoli semi con precisione a intervalli definiti. Ogni pianta riceve abbastanza spazio per crescere e la superficie viene utilizzata in modo ottimale. Allo stesso tempo, i preziosi semi vengono utilizzati in modo estremamente efficiente.

Le macchine più moderne utilizzano un modulo di separazione con azionamento elettrico per ogni fila. Un motore aziona un disco scanalato o dentato che trasporta i singoli semi all’uscita. Tramite un controllore intelligente è possibile impostare con precisione la spaziatura ottimale per ogni tipo di seme; durante lo spostamento in curva si possono compensare i diversi raggi delle singole file. Anche l’alimentazione dei semi ai dischi è controllata mediante chiusure motorizzate.

Prodotti sempre perfettamente maturi grazie a una raccolta automatizzata continua

Nella coltivazione di ortaggi e fiori in serra, molte piante vengono prima germogliate in piccoli vasi e successivamente ripiantate in vasi più grandi o in letti. Nelle moderne imprese orticole, le macchine eseguono lo smistamento e la movimentazione di piante e vasi. I macchinari utilizzati sono molto simili a quelli impiegati nella produzione industriale e nella logistica. Vengono utilizzati nastri trasportatori e trasportatori a rulli per movimentare, smistare e rinvasare vassoi su cui si trovano prodotti nelle varie fasi di lavorazione. Le pinze utilizzate in questa applicazione differiscono da quelle utilizzate in dispositivi simili in altri settori solo per la forma delle «dita». Azionate da micromotori, eseguono la movimentazione automatica dei singoli vasi e delle zolle.

Le raccoglitrici automatiche di frutta e verdura non hanno ancora raggiunto la maturità di serie per l’uso generale, ma la direzione dello sviluppo tecnologico è già evidente: vi sono sensori a telecamera che rilevano il grado di maturazione delle fragole o dei peperoni in base al colore e alla forma e ne registrano la posizione esatta. Il computer integrato utilizza questi dati per comandare un braccio robotizzato, dotato di una cesoia e di un dispositivo di raccolta. I prototipi di questa tecnologia sono caratterizzati dalla forte presenza di motori elettrici: dall’azionamento a ruota singola al braccio robotizzato, dall’apparato di taglio al sistema di raccolta del prodotto.

Tecnologie chiave: sistema elettrico ed elettronico
«Nelle macchine agricole convenzionali, i rapporti di trasmissione meccanici e gli azionamenti pneumatici sono molto comuni», spiega Kevin Moser, che, in qualità di Business Development Manager, è responsabile delle applicazioni in questo settore presso FAULHABER. «Per i sistemi di «smart farming» su piccola scala, questi componenti sono spesso troppo pesanti, troppo ingombranti, troppo complessi dal punto di vista meccanico e troppo inefficienti dal punto di vista energetico. In questo settore assistiamo quindi all’impiego di un numero crescente di micromotori elettrici che forniscono l’alimentazione necessaria per specifiche fasi di lavoro. Tuttavia, gli azionamenti per l’ambiente agricolo devono solitamente soddisfare requisiti molto elevati».

Le macchine moderne si occupano dello smistamento e della movimentazione delle coltu

A differenza dei tradizionali dispositivi di grandi dimensioni, le macchine e i componenti utilizzati nello «smart farming» sono generalmente più compatti e più leggeri. Ciò significa che spesso c’è poco spazio a disposizione per i motori. Nonostante lo spazio ridotto, se impiegati come azionamenti di dischi di semina, alette, pinze, bracci robotizzati o cesoie, i motori devono comunque fornire una potenza sufficiente per eseguire in modo affidabile la rispettiva funzione per innumerevoli cicli. Allo stesso tempo, devono funzionare in modo estremamente efficiente, poiché le unità autonome di solito traggono energia da batterie con riserva di carica limitata. Inoltre, le elettroniche di controllo devono poter essere integrate in strutture collegate in rete e consentire un controllo intelligente.

«Si tratta di requisiti tipici imposti ai sistemi di azionamento della classe più elevata; per FAULHABER, fornire le risposte giuste è semplicemente normale», afferma Kevin Moser. «Inoltre, gli azionamenti utilizzati negli ambienti agricoli devono essere estremamente robusti, così da funzionare in modo affidabile e a lungo termine nelle condizioni più difficili. In agricoltura e orticoltura, grandi variazioni di temperatura e forti carichi meccanici sono la norma. Ciononostante, i costi devono rimanere ragionevoli. FAULHABER è in grado di offrire più serie di dispositivi in grado di gestire questo delicato equilibrio».

Gli azionamenti impiegati negli ambienti agricoli devono funzionare affidabilmente in condizioni difficili

Moser si riferisce ai micromotori DC piatti brushless, particolarmente compatti ed esenti da manutenzione della serie BXT e ai motori in grafite di rame eccezionalmente robusti ed economici della linea CXR. I riduttori della nuova serie GPT sono molto adatti per la trasmissione di carichi elevati in condizioni difficili. Estremamente efficienti, sono anche molto robusti e quindi ideali per applicazioni agricole. Gli encoder incrementali opzionali consentono un posizionamento estremamente preciso. Per il collegamento in rete dei sistemi di azionamento sono disponibili vari controllori, ad es. con interfaccia CANopen. «Gli azionamenti di FAULHABER sono già utilizzati nello smart farming», afferma Kevin Moser. «Continueranno a svolgere un ruolo importante per le applicazioni più esigenti in questo settore».

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