Op de kurkdroge westelijke flank van Arizona, waar het stroomgebied van de Colorado de Mojave-woestijn ontmoet, ligt 11,000 hectare alfalfa, sorghum, tarwe en Soedangras van de Colorado River Indian Tribes (CRIT), allemaal bestemd om te worden geoogst en verkocht voor veevoer. Om hier iets te laten groeien, is irrigatie een must. Volgens Josh Moore, die namens zijn stam de boerderij beheert, is er dit jaar tot nu toe minder dan een centimeter regen gevallen.
"Het reservaat is opgezet op een behoorlijk verouderd irrigatiesysteem voor overstromingen", zegt Moore. Een netwerk van kanalen gebouwd in de 19e eeuw levert water uit de Colorado-rivier, een systeem dat een beter idee leek voordat het stroomgebied in een aanhoudende en steeds erger wordende staat van droogte terechtkwam. Hoewel de kanalen voorlopig voldoende water leveren om aan de landbouwbehoeften van CRIT te voldoen, plannen de stammen voor een warmere, drogere toekomst. Dit seizoen zijn zwarte plastic buizen te zien die honderden rijen sorghum naar beneden kronkelen: een experiment met microdruppelirrigatie dat de opnames van de boerderij uit een overbelast stroomgebied radicaal zou kunnen verminderen.
Over de hele wereld zijn de meeste gewassen voor hun water alleen afhankelijk van regen, maar op plaatsen waar de regen niet voldoende is, zijn we genoodzaakt om te irrigeren. Ondanks alle innovatie die de afgelopen jaren in de landbouw zijn intrede heeft gedaan, van GPS-geleide tractoren voor genetisch gemanipuleerde zaailingen, wordt nog steeds 85% van alle irrigatie gedaan door grote hoeveelheden water over het oppervlak van een veld te laten lopen, ongeveer op dezelfde manier als 4,000 jaar geleden in Mesopotamië.
Overstromingsirrigatie is blijven hangen omdat het goedkoop is, maar vanuit het oogpunt van natuurlijke hulpbronnen is het onthutsend duur. Maar liefst 70% van het water wordt verspild en gewassen die te veel water krijgen, kunnen hun volledige potentieel niet bereiken. Overtollige meststof wordt afgevoerd door de afvoer, vervuilende beken, wetlands en meren.
Microdrip-irrigatie moest dat allemaal oplossen. In de jaren dertig zag een jonge ingenieur genaamd Simcha Blass een boom die veel groter was geworden dan de andere in dezelfde rij; toen hij beter keek, ontdekte hij dat de wortels werden gevoed door een klein lek uit een nabijgelegen irrigatieleiding. Jaren later gebruikte de Israëliër het concept om een plastic druppelirrigatiesysteem te maken dat later onder de merknaam werd verkocht Netafim. Het blijft de wereldleider in zijn sector.
Tegenwoordig zijn er honderden druppelirrigatiebedrijven, maar de technologie wordt wereldwijd toegepast op minder dan 5% van de geïrrigeerde hectaren, meestal op grootschalige gewassen zoals amandelen, wijndruiven en tomaten. De beperkende factor is de kostprijs. Zoals de systemen momenteel zijn ontworpen, vereist het duwen van water door honderden meters pijp veel kracht, die boeren met pompen leveren; elektrische als ze stroom hebben in hun veld, koolstofboeren dieselversies als ze dat niet hebben. De druppelleidingen zijn ook gevoelig voor verstopping door slibdeeltjes of algen die in natuurlijk water worden aangetroffen, dus het moet worden gefilterd, wat extra kosten met zich meebrengt. De hele opstelling bedraagt minstens $ 2,000 per acre, plus energierekeningen. Voor gewassen met een lagere waarde, zoals katoen of luzerne, loont druppelirrigatie gewoon niet.
De microdrip-opstelling die door CRIT Farms wordt gebruikt, kost echter minder dan $ 400 per hectare om te installeren, en de vereiste druk wordt volledig geleverd door de zwaartekracht, wat het voordeel heeft dat het gratis en COXNUMX-neutraal is. Voor de toevallige waarnemer ziet het systeem er niet veel uit. Maar voor Moore is het idee van druppelirrigatie van gewassen voor veevoer niets minder dan revolutionair. Ervan uitgaande dat het ook echt werkt natuurlijk.
"Als de put droog is, kennen we de waarde van water", schreef Benjamin Franklin in een editie uit 1746 van: Arme Richard's Almanack. Hij kende de helft niet. De wereldbevolking van vandaag is tien keer zo groot als toen, en zoetwaterbronnen nemen af. Het grootste waterzwijn is verreweg de landbouw, die goed is voor bijna driekwart van het wereldwijde gebruik.
Tekenen van waterschaarste zijn overal om ons heen en worden elk jaar alarmerender. In augustus verklaarde de Amerikaanse regering voor het eerst in de geschiedenis dat de Colorado-rivier in staat van tekort, wat leidde tot bezuinigingen op de levering van enkele van de 40 miljoen mensen die ervan afhankelijk zijn. Vijf miljoen van hen krijgen hun water dankzij het Central Arizona Project (CAP), een openbaar nutsbedrijf dat rivierwater per kanaal vanaf de westelijke rand van Arizona levert aan 80% van de bevolking van de staat.
Chuck Cullom, programmamanager Colorado River bij CAP, heeft de afgelopen tien jaar opties onderzocht om de watervoorziening van Arizona te vergroten, waaronder technologieën voor de behandeling van afvalwater en gadgets die stedelijke klanten helpen hun gebruik te beperken. In 2019 ontmoette Cullom op een conferentie in Tel Aviv een directeur van een Israëlische irrigatiestartup genaamd N-druppel, die een systeem ontwikkelde dat drastische waterbesparingen beloofde zonder de buitensporige kosten. "Ik was supersceptisch", zegt Cullom. "Het klonk als een eenhoornoplossing."
Maar landbouw is verantwoordelijk voor het overgrote deel van het zoetwatergebruik in Arizona, dus Cullom was bereid om N-Drip te proberen. In 2020 leverde CAP het systeem aan CRIT Farms voor gebruik op 40 hectare sorghum. Ze ontdekten dat het het waterverbruik halveerde, terwijl de kwaliteit van de gewassen iets verbeterde: een verbluffend resultaat, zij het op zeer kleine schaal. Dit jaar breidde CAP de pilot uit tot ongeveer 200 hectare sorghum en katoen in heel Arizona, en als alles goed gaat, hoopt CAP het systeem in 2023 regionaal in te zetten, waarbij de kosten van de apparatuur blijven dekken voor boeren die het installeren.
N-Drip is het geesteskind van Uri Shani, hoogleraar bodemfysica aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en voormalig voorzitter van het Israëlische waterschap. Hij begon zeven jaar geleden met het ontwerpen van een microdruppelirrigatiesysteem dat goedkoop genoeg was om niet alleen zinvol te zijn voor sla en bessen, maar ook voor basisgewassen zoals soja en maïs, die het grootste deel van de landbouwproductie in de wereld uitmaken.
“Mijn eerste reactie was natuurlijk, dit zou de wereld veranderen, maar het zal nooit werken”
Shani is 72 jaar oud, heeft kort peper-en-zoutkleurig haar, een bril met beugels en een vaderlijke manier van doen. Hij werd geboren in 1950, op een kibboets die doordrongen was van de angst die eigen is aan het leven in een droog land dat zich inzet voor zelfvoorziening in de landbouw. “Mijn vader was een ingenieur die voornamelijk aan het water werkte. Ik ben mijn hele leven opgegroeid met het denken over water en wateroplossingen”, zegt Shani, sprekend door Zoom vanuit het kantoor van N-Drip in Tel Aviv.
Na het voltooien van zijn militaire dienst bij een elite-commando-eenheid, ging Shani naar de Hebreeuwse Universiteit, de vooraanstaande onderzoeksinstelling van Israël, en behaalde een masterdiploma in bodemfysica. Voor zijn Ph.D. werk, verhuisde hij naar Kibbutz Yotvata, in de woestijn in het uiterste zuiden van Israël. Het gebied krijgt jaarlijks minder dan een centimeter regen en heeft alleen brak grondwater voor irrigatiedoeleinden: de buitengrenzen van de landbouw. Hij begon daar als afstudeerder en leidde uiteindelijk de kibboets.
Shani werd later een professor en werd in 2006 aangeboord om het eerste hoofd te worden van de nieuw opgerichte Israëlische waterautoriteit. De rol was complex en omvatte techniek, management, politiek en economie, en hij nam het op zich met het land dat de ergste droogte ooit doormaakte. Shani turbo-investering in waterrecycling en ontzilting. Om ervoor te betalen, verhoogde hij aanzienlijk - en controversieel - de prijs van water.
"Over de hele wereld is de reden waarom er zoveel waterproblemen zijn, dat maar weinig landen bereid zijn om consumenten de echte prijs in rekening te brengen", zegt Seth Siegel, Chief Sustainability Officer van N-Drip en de auteur van een bestseller van de New York Times uit 2015. Laat er water zijn, dat vertelt over de opkomst van Israël als leider op het gebied van waterbehoud en technologie. In 2012 verliet Shani zijn ambt bij Israël vanwege een zoetwateroverschot. "Het was buitengewoon wat hij voor elkaar kreeg."
Shani, opnieuw een particulier, begon te peinzen over de groeiende dreiging van watertekorten wereldwijd. Meer dan een kwart van de wereldbevolking leeft in landen met een watertekort, en de Verenigde Naties schatten dat tegen het einde van het decennium 700 miljoen mensen op de vlucht zouden kunnen slaan door waterschaarste. De belangrijkste bijdrage die hij zou kunnen leveren, zo besloot hij, zou zijn om druppelirrigatie mainstream te maken. Dat betekende het uitvinden van een systeem dat werkte zonder filters en pompen.
Om Shani's uitdaging te begrijpen, moet je eerst begrijpen wat er gebeurt in die nederige zwarte plastic druppelleidingen. Langs elk daarvan is een reeks gaten, en in elk gat is een plastic widget ter grootte van een Tic Tac bevestigd, een emitter genoemd. Water beweegt door een buitengewoon smal, doolhofachtig kanaal in de zender, gereguleerd zodat het naar buiten komt in afgemeten druppeltjes. De weerstand die door die emitters wordt geproduceerd, is de reden dat er in een traditioneel systeem zoveel druk nodig is om water van het ene uiteinde van een veld naar het andere te verplaatsen.
Shani bedacht een nieuw soort emitter, een die zo weinig weerstand bood dat de waterdruk die alleen door de zwaartekracht wordt geleverd - opgebouwd tijdens de afdaling van 1 tot 2 voet van het irrigatiekanaal naar het onderstaande veld - voldoende zou zijn om het water voort te stuwen de weg naar beneden honderden meters buizen en in de grond. Eerst experimenteerde hij met het weven van kunststof- en metaalvezels tot verschillende driedimensionale roosterstructuren. Maar het was op een dag tijdens een wandeling, zegt hij, dat de doorbraak kwam: in plaats van een zigzagkanaal zou zijn zender bestaan uit een staaf die in een cilinder was opgehangen, met water dat door de buisvorm tussen hen in stroomde. In tegenstelling tot een traditionele straler, kan nu geen enkel vuil deeltje de waterstroom blokkeren. "Boem", zegt Shani. “Ik was er absoluut van overtuigd dat het zou werken. Daarna hebben we alle wiskunde ontwikkeld.”
Nadat hij het concept had verfijnd, moest Shani het commercialiseren. Hij nam contact op met Eran Pollak, een voormalig ambtenaar van het ministerie van Financiën met wie hij als watervoorzitter nauw had samengewerkt, en vertelde Pollak dat hij druppelirrigatie had uitgevonden waarbij alleen zwaartekracht werd gebruikt. Pollak was sceptisch. Hij was ook opgegroeid in een kibboets en hij wist van irrigatie; er bestond niet zoiets als een nuldrukdruppel.
“Mijn eerste reactie was natuurlijk dat dit de wereld zou veranderen, maar het zal nooit werken”, vertelt Pollak. Hij ontmoette Shani op het hoofdkantoor van N-Drip, dat destijds een klein kantoor was in een stripwinkelcentrum in een buitenwijk van Tel Aviv. Shani leidde hem naar een schuur in de verte. "Het was 20 meter pijp, handmatig aan elkaar gelijmd, druppelend water op de grond uit een kleine plastic vuilnisbak", zegt Pollak. "Het was in de meest elementaire fase die je je kunt voorstellen, maar dit was het moment waarop ik begreep dat het kon werken." Pollak tekende als chief executive officer.
N-Drip installeerde eind 2017 zijn eerste officiële veldproef op vijf hectare suikerriet in Eswatini (voorheen Swaziland), waarbij water rechtstreeks uit een rivier werd gehaald. Ze ontdekten dat het systeem niet alleen werkte en minder water gebruikte, maar ook de gewasopbrengst met 30% verhoogde. Met bemoedigende resultaten in de hand, ging N-Drip verder met grotere proeven in Australië en de VS, en is sindsdien uitgebreid naar 17 landen, van Vietnam tot Nigeria. Als Shani's visie klopt, maakt N-Drip een kans om miljoenen boerderijen te moderniseren en de consumptie van zoetwater wereldwijd te transformeren.
Tot op heden heeft N-Drip $ 25 miljoen aan financiering opgehaald en het systeem wordt door honderden boeren gebruikt voor 4,000 hectare aan gewassen, variërend van katoen tot aardappelen tot sojabonen. Maar Shani heeft nog een lange weg te gaan als hij van plan is om de 600 miljoen geïrrigeerde hectare van de aarde om te bouwen, en de weg van tuinhuisje naar wereldwijde irrigatieoplossing zal veel obstakels hebben.
Omdat N-Drip geen filtratie gebruikt, hebben de meeste problemen tot nu toe te maken gehad met alle onverwachte dingen die je op een boerderij in het water kunt aantreffen. In het begin van een proef nam een Californische teler in paniek contact op met N-Drip om te zeggen dat zijn systeem niet meer functioneerde. Toen Shani aankwam, vond hij een vis ter grootte van zijn wijsvinger die een van de pijpen verstopte. Een groepje groene algen deed iets soortgelijks op een boerderij in Kazachstan. Nu zijn de watertanks van N-Drip uitgerust met gaas om allerlei planten- en dierenleven op te vangen.
In de brandende zon van Arizona, in een regio met bijzonder mineraalrijk water, werden de druppelleidingen zo heet dat calciumcarbonaat neersloeg en de stralers met kalk bedekte, zoals de binnenkant van een Britse waterkoker. Dat bracht N-Drip ertoe om protocollen te ontwikkelen voor het begraven van zijn leidingen in een dunne laag aarde om ze koel te houden en voor het gebruik van ontharders op hard water.
David Midmore, emeritus hoogleraar plantenwetenschappen aan de Australische Central Queensland University en een expert op het gebied van microdruppelirrigatie, zegt dat als N-Drip echt van plan is om de 500 miljoen kleinschalige boeren ter wereld te bereiken, en niet alleen grote, geavanceerde telers, succes niet alleen afhangt van het ontwerpen van de juiste technologie, maar ook van substantieel investeren in onderwijs en ondersteuning. "Het is heel belangrijk dat de telers de juiste manieren leren om te druppelirrigeren, om eenvoudig water in de grond te hebben en hoe ze niet te veel of te weinig moeten irrigeren", zegt hij. "Het is niet alleen training, maar ook follow-up."
N-Drip benadrukt dat kleine boerderijen een cruciaal onderdeel van haar missie zijn. "Als een rijke boer in Australië de opbrengst met 47% verhoogt, is dat geweldig, trek de champagne maar open en ga dat jaar op vakantie", zegt Siegel, Chief Sustainability Officer van het bedrijf. "Maar als een zelfvoorzienende boer de opbrengst verhoogt, en ze hebben meer voedsel om te eten en meer voedsel om te verkopen, dan verandert dat die familie en die gemeenschap."
Met het oog daarop, toen de Covid-19-pandemie zich in 2020 ontvouwde, waardoor lucratieve projecten in de VS en Australië werden opgeschort, draaide N-Drip om een kit van 1 hectare te produceren die voor deze gebruikers is ontworpen. Dit doe-het-zelfsysteem wordt geleverd met een link naar een YouTube-video en eenvoudige, Ikea-achtige lijntekeningen om de boer door de installatie te leiden.
N-Drip heeft ook een eigen bodemsensor ontwikkeld, genaamd N-Drip Connect, die de plant- en bodemgesteldheid monitort en boeren realtime begeleiding stuurt via een smartphone-app over wanneer ze moeten irrigeren en bemesten. De sensor geeft ook feedback aan het agronomische team van het bedrijf, zodat het de veldomstandigheden in de gaten kan houden.
Een andere uitdaging voor N-Drip zal economisch blijven. Het systeem kan worden geïnstalleerd voor een fractie van de kosten van een conventioneel druppelsysteem onder druk, zonder de lopende energiekosten, maar water is gratis of wordt zwaar gesubsidieerd voor de meeste boeren wereldwijd. Hoewel sommigen, zoals Australische katoentelers, misschien bereid zijn te investeren om een snel slinkende hulpbron te beschermen, zouden veel van 's werelds kleine boeren niet in staat zijn om zelfs maar een bescheiden extra uitgave te dekken.
"De markt voor kleine boeren is een enorme markt, die het meest kan profiteren van ons systeem, maar het is erg moeilijk om zaken mee te doen als je geen grote en goed gepositioneerde partner hebt", geeft Pollak toe. N-Drip stelt zich voor om zijn systeem aan deze boeren te leveren, voornamelijk via non-profitorganisaties, overheidsinstanties en grote bedrijven die duurzaamheidsbeloftes waarmaken. De leidinggevenden zeggen dat de kans op korte termijn kan worden gemeten in honderdduizenden hectaren landbouwgrond.
Een vroeg voorbeeld van dit soort partnerschap is met PepsiCo Inc., dat rechtstreeks contracten sluit met 40,000 boeren voor ingrediënten zoals maïs, haver en aardappelen, en zich tot doel heeft gesteld de efficiëntie van het watergebruik in de landbouw tegen 15 met 2025% te verbeteren. PepsiCo heeft de technologie van N-Drip getest met een handvol boeren in India, Vietnam en de VS, en zagen verbeterde gewasopbrengsten met minder invoer van kunstmest en 50% minder waterverbruik in vergelijking met irrigatie door overstromingen.
Peter Gleick, de president-emeritus en mede-oprichter van de Pacific Institute, een non-profit onderzoeksinstituut gericht op zoetwaterkwesties, benadrukt dat als het gaat om de toekomst van irrigatie, het van cruciaal belang is dat we het grote geheel niet uit het oog verliezen. Het omzetten van katoen- of luzernevelden naar druppelirrigatie is een stap in de goede richting, maar een grotere vraag doemt op: moeten we die gewassen om te beginnen echt in droge klimaten verbouwen? "We moeten een echt gesprek hebben over wat het zinvol is om te groeien in het waterarme Westen, evenals een gesprek over het telen van wat we kiezen om efficiënter en zorgvuldiger te telen", zegt hij. "Deze technologie kan helpen bij de tweede vraag, maar het zal niet helpen bij de eerste, meer politieke."
Gleick merkt op dat het één ding is om principieel bezwaar te maken tegen het gebruik van kostbaar drinkwater voor het verbouwen van gewassen voor veevoer, en iets anders om boeren te vertellen dat ze moeten stoppen met telen. Terug bij CRIT Farms zegt Moore dat hij graag bijdraagt aan onderzoek dat hij als essentieel beschouwt voor de toekomst van de landbouw in de regio. Volgend jaar is hij van plan om het systeem van N-Drip op extra areaal te gebruiken. Hoewel het waterquotum van het reservaat van de stammen niet is verlaagd, weet Moore dat er op een dag voor iedereen tekorten zullen komen. "We moeten gaan leven alsof we worden beïnvloed door die bezuinigingen om ons wat tijd te geven", zegt hij. "Om als mensen en als bedrijf te overleven, moeten we naar technologieën als deze kijken."