Utilizzo dei sensori di CO2 di Vaisala nelle serre scientifiche

Gli scienziati della Wageningen University & Research in Olanda impiegano i sensori per biossido di carbonio di Vaisala nelle loro serre di ricerca da oltre dieci anni. Il biossido di carbonio è un parametro di misurazione estremamente importante in biologia vegetale, non solo perché serve per la crescita delle piante, ma anche perché le emissioni nell'ambiente contribuiscono al cambiamento climatico, quindi enormi minacce e opportunità sono correlate a questo gas. Il valore del lavoro dell'istituto, organizzazione di ricerca di fama mondiale, dipende in parte dalla precisione e dall'affidabilità dei sensori, quindi è importante che i ricercatori non scendano a compromessi sulla qualità dei sensori.

Wageningen è stata una delle forze trainanti nella ricerca e nello sviluppo tecnologico per l'orticoltura in serra nei Paesi Bassi. Il Plant Research Institute gestisce oltre 100 serre nella sede di Bleiswijk, permettendo ai ricercatori di generare un'ampia varietà di condizioni ambientali. Le variabili ambientali tipiche includono luce, acqua, terreno di coltura, sostanze nutritive, controllo (biologico) di parassiti/malattie, temperatura, umidità e, naturalmente, biossido di carbonio (CO₂), tutte con effetti significativi sui raccolti. 

Il settore orticolo olandese mira a diventare climaticamente neutrale entro il 2040. Per questo motivo, i ricercatori di Wageningen hanno recentemente costruito una nuova serra dimostrativa "Greenhouse2030" per la coltivazione di verdura, frutta e fiori per trovare modi per ridurre le emissioni di CO₂, eliminare la necessità di prodotti chimici per la protezione dei raccolti e ottimizzare l'uso di acqua e sostanze nutritive. 

Biossido di carbonio nelle serre

La CO₂ è un sottoprodotto di molti processi nei settori petrolifero, petrolchimico e del gas, ma è anche necessaria per la crescita delle piante attraverso la fotosintesi, per questo i responsabili delle serre olandesi hanno collaborato con il settore industriale del paese per utilizzare questo sottoprodotto e contribuire così alla lotta al cambiamento climatico riducendo le emissioni di CO₂ nette del paese. A livello globale, molti responsabili delle serre bruciano gas naturale per ottenere CO₂, generando anche calore che potrebbe non essere necessario nei mesi estivi, quindi l'utilizzo di un sottoprodotto industriale è decisamente preferibile.

La CO₂ è stata fornita alle serre olandesi nel 2005 attraverso una rete di tubazioni realizzata dalla società Organic Carbon Dioxide for Assimilation of Plants (OCAP). I responsabili delle serre commerciali pagano per la fornitura di CO₂, largamente ottenuta da un impianto al bioetanolo. Una caratteristica fondamentale della ricerca dell'istituto è il lavoro destinato a ottimizzare l'uso della CO₂, insieme ad altre variabili di crescita delle piante. Ad esempio, l'istituto ha sviluppato uno strumento di simulazione per il dosaggio di CO₂: "CO₂-viewer". Questo programma monitora e visualizza gli effetti della strategia di dosaggio di un coltivatore. Ad esempio, consente di valutare il dosaggio di CO₂ a mezzogiorno rispetto al dosaggio del mattino. 

Monitoraggio del biossido di carbonio

Dopo circa 10 anni di attività, l'istituto sta sostituendo circa 150 sonde del modello precedente con un modello più nuovo. La calibrazione di tutte le sonde viene verificata prima dell'inizio di ogni progetto, utilizzando gas di riferimento certificati. È importante che i dati di calibrazione siano tracciabili, quindi il certificato di calibrazione di ciascuna sonda viene conservato e i controlli di calibrazione successivi vengono documentati. Un monitor di CO₂ portatile (GM70 di Vaisala) con una sonda di CO₂ GMP252 vengono utilizzati come strumento di validazione per controllare le sonde installate, anche se non sono necessarie ulteriori calibrazioni.

Attualmente, le sonde installate dall'istituto forniscono segnali da 4-20 mA a "computer climatici" programmati per gestire automaticamente le serre. Questo sistema genera allarmi se, per qualsiasi motivo, i livelli di CO₂ si avvicinano ai livelli pericolosi.

Tecnologia dei sensori di CO₂

La CO₂ assorbe la luce nella regione degli infrarossi (IR) a una lunghezza d'onda di 4,26 μm. Ciò significa che quando la radiazione IR viene fatta passare attraverso un gas contenente CO₂, parte della radiazione viene assorbita ed è possibile misurare questa assorbanza. Il sensore di biossido di carbonio CARBOCAP^® di Vaisala è dotato di un innovativo filtro interferometro Fabry-Perot (FPI) microlavorato e sintonizzabile elettricamente. Oltre a misurare l'assorbimento di CO₂, il filtro FPI consente una misurazione di riferimento a una lunghezza d'onda in cui non si verifica alcun assorbimento. Durante la misura di riferimento, il filtro FPI viene regolato elettricamente per commutare la banda di bypass dalla lunghezza d'onda di assorbimento ad una lunghezza d'onda di non assorbimento. Questa misurazione di riferimento compensa eventuali variazioni di intensità della sorgente luminosa, nonché la contaminazione e l'accumulo di sporcizia nel percorso ottico. Di conseguenza, il sensore CARBOCAP^® ha una stabilità elevata nel tempo e, incorporando entrambe le misurazioni, questa tecnologia compatta può essere incorporata in sonde, moduli e trasmettitori di piccole dimensioni.

Grazie alla tecnologia CARBOCAP^®, i ricercatori possono evitare di preoccuparsi di eventuali derive della calibrazione o guasti del sensore.

Ricerca sul biossido di carbonio in biologia vegetale

Sono attualmente in corso due progetti per valutare gli effetti di diversi livelli di CO₂ sulla produzione vegetale. Uno studio si occupa dei frutti di bosco, l'altro dei pomodori; tuttavia con un ruolo così importante della CO₂ sia nella crescita delle piante sia nel cambiamento climatico, l'importanza della precisione nelle misurazioni di questo gas continua a crescere. La maggior parte delle serre è ora collegata alla rete Ethernet dell'istituto e un'ampia varietà di nuovi sensori viene continuamente aggiunta alla rete di monitoraggio, offrendo l'opportunità di utilizzare nuovi sensori intelligenti.

Riepilogo

La precisione, la stabilità e l'affidabilità dei sensori di CO₂ a Bleiswijk sono essenziali per il successo della ricerca dell'istituto, soprattutto perché i dati delle serre vengono spesso confrontati tra loro. La fornitura di CO₂ ha un costo, pertanto è fondamentale che questa risorsa sia monitorata e fornita con efficacia in modo da ottimizzare la produzione. 

Chiaramente, le iniziative per ridurre l'uso di combustibili fossili e sviluppare sistemi di gestione dell'energia più efficienti contribuiranno a ridurre le emissioni di CO₂ dalle serre. Tuttavia, l'importanza dell'uso di CO₂ è destinata a crescere, tenendo conto dell'obiettivo di neutralità climatica per il 2040 e della necessità a livello globale di trovare modi nuovi e ottimali per acquisire le emissioni di CO₂ in modo sostenibile ed economicamente fattibile.

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