Команда исследователей из Массачусетского технологического института и основанная ими дочерняя компания разработали систему, которая позволяет минимизировать расход пестицидов при опрыскивании растений и снизить объем ядов, попадающих в почву, грунтовые воды и далее в водоемы.
Технология предполагает создание сверхтонкой маслянистой пленки вокруг капель. Это значительно снижает вероятность того, что они будут отскакивать от листьев и бесполезно падать на землю. Вместо этого покрытые оболочкой капли прилипают к листьям и работают максимально эффективно, поражая вредителей. Как известно, опрыскивание ведется до начала вегетации, когда съедобных плодов на растениях еще нет.
Роль пестицидов в современном сельском хозяйстве трудно переоценить. Если бы фермеры не использовали пестициды, они бы потеряли 78% урожая фруктов, 54% урожая овощей и 32% урожая зерновых. Но отсутствие технологий, которые отслеживают и оптимизируют распыление, вынуждает фермеров полагаться на личный опыт и эмпирические правила при выборе способа применения химикатов. В результате эти вещества, как правило, распыляются в избытке, что приводит к их попаданию в водоемы и накоплению в почве.
В итоге пестициды не только приносят пользу, но и наносят значительный ущерб здоровью людей и окружающей среде. Недавнее исследование показало, что 31% сельскохозяйственных почв по всему миру загрязнен ими. Сельскохозяйственные химикаты являются серьезной статьей расходов для фермеров: в США аграрии тратят 16 миллиардов долларов в год только на отраву для насекомых-вредителей.
Повышение эффективности опрыскивания — один из лучших способов сделать сельскохозяйственное производство более экологичным и экономичным. Опрыскивание сводится к смешиванию химикатов с водой и распылению капель раствора на листья растений, которые часто по своей гидрофобной природе отталкивают воду. За более чем десять лет исследований в лаборатории Массачусетского технологического института биологи разработали инновационную концепцию опрыскивания и взаимодействии между каплями и растениями.
Ранее команда исследователей нашла способ уменьшить количество распыляемой жидкости, которая отскакивает от листьев. Для этого нужно использовать две распылительные форсунки вместо одной и распылять смеси с противоположными электрическими зарядами. Но фермеры без энтузиазма восприняли эту идею, не захотев тратить деньги и силы на переоборудование своих опрыскивателей. Поэтому команда исследователей стала искать более простую альтернативу.
Они обнаружили, что могут добиться такого же удержания капель листьями, используя систему и с одним соплом. Вместо того чтобы придавать каплям пестицида электрический заряд, они предложили покрывать каждую каплю очень тонким слоем маслянистого материала. Для этого был сконструирован специальный смеситель, в котором маслянистой оболочкой «одевались» именно капли раствора. Суть ноу-хау заключается именно в этом, а вовсе не в смешивании масла и воды в общей емкости.
Изобретатели провели лабораторные эксперименты с использованием высокоскоростных камер. Когда они распыляли состав без специальной обработки на водоотталкивающую поверхность, похожую на поверхность листьев растений, капли сначала растекались в виде диска, затем сворачивались в шар и отскакивали. Но когда исследователи покрывали поверхность небольшим количеством масла — менее 1% от объема капли — они оставались на месте. Обработка улучшила «липкость» в сто раз.
Когда эти капли попадают на поверхность и расширяются, они образуют масляное кольцо, которое, по сути, прижимает влагу к листу силой поверхностного натяжения. Исследователи опробовали множество условий, проведя сотни экспериментов с разной скоростью падения, разным размером, разными углами наклона. Помимо растительных масел, брались синтетические поверхностно-активные вещества.
Хотя разные масла отличались по эффективности прилипания, все они оказались действенными. Независимо от скорости удара и сорта масла, высота отскока была значительно меньше или вообще равнялась нулю. Эффект проявляется даже при добавлении малого количества вещества. В своих первых экспериментах ученые использовали 1% масла на 99% раствора пестицида, затем попробовали 0,1% и даже 0,01%. Улучшение прилипания капель к поверхности продолжалось при 0,1% и лишь после этого начало снижаться.
Химики основали компанию AgZen для коммерциализации своего изобретения. Чтобы доказать, насколько их система нанесения покрытия увеличивает количество распыляемого вещества, которое остается на растении, им сначала пришлось разработать систему мониторинга распыления в режиме реального времени.
Система, которую они назвали RealCoverage («Реальное покрытие»), была внедрена на фермах площадью от нескольких десятков до нескольких тысяч гектаров, на которых выращивается множество сельскохозяйственных культур. Она позволила фермерам сэкономить от 30 до 50% расходов на пестициды за счет улучшения контроля при опрыскивании.
Фермеры уже пытались использовать поверхностно-активные вещества и адъюванты для повышения эффективности опрыскивания, но они просто смешивали их с водным раствором. Чтобы добиться какого-либо эффекта, им приходилось использовать гораздо больше этих веществ, рискуя обжечь растения. Новая система нанесения сокращает количество необходимых ПАВ, повышает их эффективность и остается безопасной для растений.
Изобретение касается не только распыления пестицидов. Оно полезно для любых химических веществ, которые попадают на листья, будь то инсектициды, гербициды, фунгициды или внекорневая подкормка. В этом году предприимчивые ученые планируют внедрить новую систему опрыскивания примерно на 30 000 акрах сельскохозяйственных угодий.
