Dados e experiência da NASA ajudam a agricultura em ambiente controlado a atingir novos patamares
Dados e conhecimentos sobre crescimento de plantas em ambiente fechado desenvolvidos no Centro Espacial Kennedy por meio de pesquisas sobre suporte de vida bioregenerativo que poderiam alimentar astronautas em missões de longa duração ajudaram o IntraVision Group, sediado em Oslo, Noruega, a desenvolver um sistema completo de cultivo vertical interno e opções de iluminação LED para cultivar alimentos na Terra.
Levará anos até que os astronautas que vivem além do alcance das missões regulares de reabastecimento tenham que cultivar parte de seus próprios alimentos e remédios, mas a agricultura em pequena escala será essencial para a exploração lunar estendida e longas missões a Marte. A NASA vem se preparando para esse dia há décadas. Agora, usando a expertise que a agência espacial desenvolveu no cultivo de plantas em ambientes fechados, empresas privadas estão tornando a agricultura indoor uma importante fonte de alimento na Terra.
Entre as maiores operações de cultivo em ambientes fechados está o sistema de cultivo em ambiente fechado GravityFlow do IntraVision Group, que tem o potencial de produzir mais de meio milhão de quilos de produtos anualmente em uma única instalação.
Começando nos primeiros dias do programa espacial, a NASA trabalhou no cultivo de plantas sem luz solar, ar livre ou água abundante. A pesquisa em sistemas de suporte de vida bioregenerativos incluiu o cultivo de safras para produzir oxigênio e alimentos enquanto reciclava resíduos e dióxido de carbono. Décadas de esforço renderam centenas de artigos de pesquisa e outros recursos compartilhando condições de agricultura vertical bem-sucedidas, variando de iluminação e fluxo de oxigênio a nutrientes e “receitas” para produzir variedades específicas de plantas, ou cultivares ( Spinoff 2021 ).
A tarefa é tão complexa que exigiu mais expertise do que a agência tinha. Descrevendo-a como “muito além dos meios dos programas da NASA”, Gioia Massa, cientista de projetos de ciências biológicas no Kennedy Space Center da NASA na Flórida, disse que a lista de desafios é longa.
“O papel da NASA é abrir novos caminhos para algumas dessas tecnologias ou abordagens, financiando o desenvolvimento em estágio inicial”, ela disse. “Para aquelas coisas que têm aplicações terrestres ou potencial de comercialização, a indústria as pega.”
Produção de culturas espaciais
A partir de 2003, o desenvolvimento da tecnologia da IntraVision foi informado pelos dados da NASA e pela expertise da equipe, enquanto as duas organizações pesquisavam e testavam a tecnologia de crescimento de plantas no Controlled Environment Systems Research Facility da University of Guelph, em Toronto, Canadá. Como patrocinadora de longo prazo do programa, a IntraVision se beneficiou desses projetos, conduzidos em conjunto com pesquisadores da NASA.
Como parte de uma parceria informal de 20 anos com a universidade, a agência apoiou a criação da câmara Guelph Blue Box. A colaboração incluiu uma bolsa de pesquisa da NASA durante a qual Tom Graham, agora membro do corpo docente da universidade, conduziu experimentos de crescimento de plantas com luz vermelha.
Além de trocas informais de informações, como compartilhar resultados de um experimento específico, as descobertas também são publicadas ou apresentadas em conferências. Massa disse que sua equipe depende muito de outros cientistas para dados relacionados à produção de culturas espaciais.
“A University of Guelph é provavelmente o principal grupo trabalhando nesses tipos de desafios. Os dados que eles estão coletando e suas publicações estão realmente ajudando a atender às necessidades da NASA para entender diferentes soluções biológicas ou tecnológicas”, ela disse. As empresas estão preenchendo outras lacunas.
Fotobiologia – controlar organismos vivos com luz – é o foco principal da IntraVision, sediada em Oslo, Noruega. Desde que começou a trabalhar com LEDs em 2004, a empresa se expandiu para criar sistemas completos de agricultura de ambiente controlado (CEA). Um cliente pode ter uma fazenda inteira projetada pela empresa ou comprar componentes individuais para um sistema de crescimento de plantas.
O sistema de prateleiras verticais de 20 a 30 pés de altura é chamado GravityFlow. Ele inclui os kits de sensores Raptor, controladores de luz Maestro e um software de gerenciamento de instalações chamado Luminous. Os sistemas de iluminação LED da empresa emitem comprimentos de onda selecionados por meio de experimentos em plantas.
“Dizemos que as plantas têm sensores de luz, então elas são capazes de detectar raios UV, e luz azul, verde e vermelha no espectro visual, assim como luz infravermelha”, disse Per Aage Lysaa, CEO da empresa. “O espectro que uma planta detecta então dará início a um processo químico, que controla diretamente a morfologia e os processos de metabólitos primários e secundários.” Isso muda o sabor, o conteúdo de nutrientes, a cor e até mesmo o tamanho da planta. Para otimizar tudo isso, a IntraVision desenvolveu iluminação LED multiespectral que pode ser pré-programada automaticamente para diferentes necessidades da câmara de crescimento.
Alface mais segura
A empresa incorpora várias opções de iluminação e outras tecnologias em sua plataforma CEA para fazendas verticais escaláveis. O sistema GravityFlow controlado por computador gera qualquer espectro de luz e regula o fluxo de nutrientes hidropônicos, temperatura, velocidade do ar, níveis de dióxido de carbono e umidade relativa.
Uma variedade de sensores coleta dados enquanto o software personalizado usa essas informações para controlar o crescimento. Uma biblioteca de dados é gerada automaticamente e adicionada a um banco de dados maior da planta, que usa aprendizado de máquina para melhorar continuamente os sistemas.
Após uma pequena fazenda piloto em Toronto, Canadá, em 2017, o primeiro sistema de cultivo em grande escala foi construído pela Vision Greens no Canadá em 2020. Uma nova fazenda altamente automatizada, a primeira planejada para os Estados Unidos, iniciou a produção em Nova Jersey e produzirá entre 300 e 450 toneladas de produtos anualmente, exigindo apenas uma equipe limitada.
Além de otimizar as condições de cultivo, a automação permite que os produtores rastreiem uma colheita da semente à planta para produzir, e para o supermercado ou restaurante, melhorando a segurança alimentar, de acordo com Lysaa. O sistema fornece documentação do ciclo de vida que demonstra que o produto não está contaminado.
“O sistema sempre saberá qual planta está onde, para que você possa verificar as condições ideais”, disse ele. “Temos ferramentas de planejamento e alarmes para evitar problemas. E eliminamos as fontes de bactérias, como a E. coli encontrada na alface romana nos Estados Unidos, que matou várias pessoas.”
Aproximadamente 55% de toda a alface consumida neste país vem da Califórnia. Uma vez colhida, ela é enviada por mais de 2.000 milhas para plantas de processamento no Centro-Oeste ou na Costa Leste. Bactérias podem ser transferidas para as plantas a qualquer momento – de um pássaro acima ou da superfície de um contêiner de transporte. A CEA elimina essas fontes de possível contaminação.
A produção de alta qualidade e alto volume torna possível a transição da venda de pequenas quantidades de produtos que a maioria das fazendas verticais comerciais produz para um volume de nível de commodity que compete em preço com a agricultura tradicional subsidiada. E a CEA usa até 95% menos água, não requer pesticidas e cultiva mais alimentos em uma fração da terra, tornando-a uma alternativa sustentável.
Medicina e Mais
Graças em parte à pesquisa financiada pela NASA, a IntraVision se baseou na pesquisa de LED para produzir luminárias que geram 75% de luz e apenas 25% de calor. A empresa também se expandiu para LEDs com comprimentos de onda ultravioleta específicos. Eles controlam a morfologia em plantas com flores, incluindo muitas usadas para fins medicinais.
“Nós escolhemos cerca de 10 das importantes plantas medicinais chinesas, do Oriente Médio e outras plantas medicinais tradicionais para cultivar”, disse Lysaa. O esforço da empresa para desenvolver novas cultivares CEA se baseia em pesquisas realizadas para clientes sobre o cultivo interno de cannabis. Isso envolve o uso de diferentes espectros de luz para otimizar as plantas, o crescimento e a produção de moléculas bioativas.
Um cliente, Plant Form, usa o sistema de crescimento IntraVision para cultivar uma forma biossimilar de Herceptin, um medicamento que pacientes com câncer de mama tomam após uma operação. A empresa usa plantas de tabaco geneticamente modificadas para gerar uma forma biológica do medicamento. O Herceptin custa aproximadamente US$ 35.000 anualmente por paciente. Uma versão baseada em plantas custará consideravelmente menos.
Outras cultivares biotecnológicas bem-sucedidas são extratos alimentares, como óleo de menta. A menta em pasta de dente e goma de mascar é de plantas que costumavam crescer nos Estados Unidos até que se tornou muito cara. A menta agora é produzida no Sri Lanka, Vietnã e China, cujas populações estão forçando mais terras para a produção de alimentos. Reconhecendo que a menta poderia facilmente se tornar uma cultura CEA, a IntraVision tem a tecnologia para fazer essa transição.
Alimentando astronautas e outros humanos
À medida que as populações humanas crescem, os recursos necessários para fornecer alimentos estão diminuindo. Incêndios florestais mais quentes e extensos queimando terras aráveis, aumento de inundações costeiras e fluviais e contaminação de águas subterrâneas por fertilizantes químicos e pesticidas limitam o que as fazendas tradicionais podem produzir. A tecnologia CEA oferece um tipo diferente de agricultura para as gerações futuras, assim como alimentará os astronautas.
“À medida que crescemos no espaço, temos desafios semelhantes aos da agricultura indoor na Terra”, disse Massa. Os esforços da NASA para dar suporte a melhorias em produtos comerciais para o crescimento de plantas fornecem tecnologias prontas para uso que economizam tempo e dinheiro.
“A NASA faz as coisas que são difíceis, as coisas que não têm um retorno rápido sobre o investimento, e a indústria vai fazer as coisas que terão um retorno muito mais rápido sobre o investimento”, disse Massa. “Algumas das coisas em que trabalhamos são coisas que agora têm usos terrestres, como o uso de LEDs para cultivar plantas. Agora, isso é realmente algo.”
Fonte: spinoff.nasa.gov