Βελτιστοποίηση λειτουργίας συστήματος αντλιών σε αεροπονική καλλιέργεια μαρουλιού υπό ελεγχόμενο περιβάλλον

Abstract

Aeroponic cultivation represents one of the most advanced soilless production systems, characterized by the direct application of a nutrient solution to the plant root system in the form of periodic spraying. Owing to the absence of soil or substrate and the continuous exposure of roots to air, aeroponic systems are inherently sensitive to interruptions and fluctuations in water supply, thereby requiring highly precise and dynamically regulated irrigation management. Within this context, controlled environment agriculture (CEA) provides a stable and reproducible framework for regulating climatic and radiative conditions, allowing irrigation strategies to be evaluated under well-defined environmental settings. The present study investigates the development and application of an automated irrigation control system for aeroponic lettuce cultivation (Lactuca sativa var. longifolia), based on direct measurements of plant turgor and implemented using a low-cost microcontroller platform (arduino mega 2560). The objective of the study is to assess whether irrigation control driven by plant physiological status can improve the temporal accuracy of irrigation events, reduce pump operating time and associated energy consumption, and support the functional sustainability of aeroponic cultivation under controlled environmental conditions. The monitoring system integrates environmental and physiological sensors, including air and leaf temperature, relative humidity, photosynthetically active radiation, and nutrient solution level. Sensor signals are processed by the microcontroller, which executes control algorithms based on real-time variations in leaf turgor potential, activating irrigation only when early signs of plant water stress are detected. System performance was experimentally compared with conventional timer-based irrigation across two complete cultivation cycles conducted under stable and reproducible environmental conditions. During the experimental period, detailed data were collected on plant physiological responses, biochemical composition, biomass production, and the consumption of water, energy, and nutrients. Results showed that irrigation control based on turgor sensing reduced total water consumption by 15.9% and pump energy consumption by 17.8% compared to time-based irrigation, without negative effects on plant growth, photosynthetic performance indicators or product quality. In addition, improvements were observed in nitrate content, and water use efficiency (WUE) as well as nutrient use efficiency (NUE), indicating a more favorable physiological response under the plant-driven irrigation regime. Further analysis demonstrated that reductions in energy use and nutrient solution consumption were primarily associated with shorter and less frequent pump operation and with more precise irrigation timing. Overall, the study demonstrates that integrating turgor-based sensing into aeroponic irrigation systems enables irrigation control that is directly coupled to plant physiological status, providing a robust and transferable framework for the implementation of plant-driven irrigation strategies in high-density CEA production systems.

Η αεροπονία αποτελεί μία από τις πλέον καινοτόμες μορφές καλλιέργειας και σε συνδυασμό με τη γεωργία ελεγχόμενου περιβάλλοντος (controlled environment Agriculture – CEA), προσφέρει υψηλή αποδοτικότητα στη χρήση νερού και θρεπτικών στοιχείων καθώς στηρίζεται στην μέθοδο του ψεκασμού θρεπτικού διαλύματος απευθείας στις ρίζες των φυτών. Η απουσία εδάφους ή υποστρώματος και η άμεση έκθεση των ριζών στον αέρα καθιστούν την αεροπονία ιδιαίτερα ευαίσθητη σε υδατικές διακυμάνσεις, απαιτώντας ακριβή και δυναμική διαχείριση της άρδευσης. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή διερευνά την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός αυτοματοποιημένου συστήματος άρδευσης, βασισμένου σε αισθητήρες μέτρησης της σπαργής μέσω ενός μικροελεγκτή τύπου arduino mega 2560, με στόχο τη βελτίωση της αποδοτικότητας άρδευσης, τη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης και την ενίσχυση της βιωσιμότητας της αεροπονικής καλλιέργειας μαρουλιού υπό ελεγχόμενο περιβάλλον (Lactuca sativa var. longifolia). Το σύστημα παρακολούθησης ενσωματώνει πολλαπλούς αισθητήρες περιβαλλοντικών και φυσιολογικών παραμέτρων, όπως θερμοκρασία αέρα και φύλλου, σχετική υγρασία, φωτοσυνθετική ακτινοβολία και στάθμη θρεπτικού διαλύματος. Οι αισθητήρες συνδέονται με τον μικροελεγκτή, ο οποίος εκτελεί αλγορίθμους ελέγχου βασισμένους σε πραγματικές μεταβολές του δυναμικού σπαργής, ενεργοποιώντας την άρδευση μόνο όταν το φυτό παρουσιάζει πρώιμα σημάδια υδατικής καταπόνησης. Η λειτουργία του συστήματος συγκρίθηκε με συμβατική, χρονικά προγραμματισμένη άρδευση σε δύο πλήρεις καλλιεργητικούς κύκλους, υπό σταθερές συνθήκες περιβάλλοντος και φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, συλλέχθηκαν αναλυτικά δεδομένα σχετικά με τη φυσιολογική κατάσταση των φυτών, τη βιοχημική τους σύνθεση, την παραγόμενη βιομάζα, καθώς και την κατανάλωση νερού, ενέργειας και θρεπτικών στοιχείων. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι το σύστημα άρδευσης με αισθητήρα σπαργής μείωσε τη συνολική κατανάλωση νερού κατά 15,9% και την ενεργειακή κατανάλωση των αντλιών κατά 17,8% σε σχέση με το συμβατικό σύστημα, χωρίς να παρατηρηθούν στατιστικά σημαντικές διαφορές στην ανάπτυξη, τη φωτοσυνθετική απόδοση ή την ποιότητα των φυτών. Αντιθέτως, παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική μείωση της συγκέντρωσης των νιτρικών ενώ καταγράφηκε βελτίωση στους δείκτες αποτελεσματικότητας χρήσης νερού (WUE) και θρεπτικών στοιχείων (NUE), υποδεικνύοντας αυξημένη φυσιολογική ευρωστία και παραγωγή. Επιπλέον, η αξιολόγηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος ανέδειξε ότι η μείωση της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης και της χρήσης θρεπτικού διαλύματος συνδέεται κυρίως με τη μικρότερη διάρκεια και συχνότητα λειτουργίας των αντλιών, καθώς και με τον ακριβέστερο χρονισμό της άρδευσης. Η προσέγγιση αυτή, βασισμένη σε τεχνολογίες χαμηλού κόστους και υψηλής ακρίβειας, εισάγει ένα εναλλακτικό πλαίσιο διαχείρισης της άρδευσης, το οποίο προσαρμόζεται στη δυναμική φυσιολογική κατάσταση του φυτού. Με τον τρόπο αυτό, διαμορφώνονται οι προϋποθέσεις για πιο ορθολογική λειτουργία των συστημάτων γεωργίας ελεγχόμενου περιβάλλοντος (CEA), χωρίς την ανάγκη αύξησης της πολυπλοκότητας του εξοπλισμού ή της έντασης των εισροών. Συνολικά, η διατριβή αποδεικνύει ότι η ενσωμάτωση αισθητήρων σπαργής σε αεροπονικά συστήματα μπορεί να μετασχηματίσει τον τρόπο διαχείρισης της άρδευσης, καθιστώντας την πλήρως προσαρμοσμένη στη φυσιολογική κατάσταση του φυτού. Η τεχνολογική αυτή καινοτομία συμβάλλει ουσιαστικά στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των εντατικών καλλιεργειών και ανοίγει τον δρόμο για την ευρεία εφαρμογή συστημάτων άρδευσης βάσει φυσιολογικών δεικτών σε καλλιέργειες υψηλής πυκνότητας, ενισχύοντας τη μετάβαση προς μία ψηφιακή, ενεργειακά αποδοτική και αειφόρο γεωργία.