Idroponica – Tutto quello che devi sapere

Che cos’è l’idroponica

Hydroponics is a cultivation method that grows plants in water instead of soil. It is part of the broader “soil-less” cultivation methods, which include aquaponics and aeroponics.

La maggior parte delle volte, la coltivazione avviene con le radici delle piante immerse nell’acqua, ma occasionalmente può essere effettuata anche in altri substrati, come gel o un mezzo inerte come perlite, ghiaia, ecc.

Poiché non c’è suolo, la nutrizione delle piante in elementi minerali avviene tramite la loro dissoluzione nell’acqua. In molti casi, la coltivazione idroponica è equivalente alla coltivazione indoor, con luce fornita da illuminazione artificiale. Tuttavia, l’idroponica è possibile anche all’esterno, poiché fornisce luce “gratuita” al costo di un maggiore rischio di contaminazione (vedi sotto).

The hydroponic market size grew to quasi 5 miliardi di dollari nel 2023, e si prevede una crescita del 12,4% CAGR fino al 2030.

La scienza dell’idroponica

Mentre la maggior parte delle piante può essere coltivata con sistemi idroponici, alcune richiedono un substrato per ancorare le radici. Per questo motivo si usano substrati inerti come fibra di cocco, vermiculite (una roccia silicata) e perlite (un vetro vulcanico amorfo).

Fonte: Climate Control

Nutrienti come fosfato, potassio e azoto (“NPK”), così come i micronutrienti, vengono disciolti nell’acqua, consentendo un’efficienza quasi del 100% nell’uso dei fertilizzanti.

L’idroponica può essere suddivisa in 2 diversi tipi di progettazione: sistemi aperti e chiusi.

Sistemi aperti: richiedono che l’acqua carica di nutrienti fluisca dal serbatoio alla camera di crescita.
Sistemi chiusi: hanno le radici direttamente immerse nella soluzione nutritiva e, quindi, non necessitano di pompe.

I sistemi passivi, in opposizione ai sistemi attivi, sono sistemi idroponici che non richiedono componenti elettrici come pompe, ventilazione, luci artificiali e timer.

Cosa può essere coltivato con l’idroponica

L’idroponica è usata per coltivare molte diverse colture di alto valore e sensibili. Le più comuni, in ordine: pomodori, erbe aromatiche, lattuga, cetriolo.

Fonte: Grand View Research

Un altro uso meno documentato ma significativo dell’idroponica è stata la coltivazione di cannabis su piccola o media scala. Sebbene questa pratica rimanga illegale nella maggior parte dei paesi, la lista di nazioni che consentono tale coltivazione con le licenze appropriate in ambito commerciale è in crescita – il Canada è uno dei principali esempi di questo.

Molte aziende commerciali di cannabis operanti negli stati USA dove la coltivazione è legale preferiscono la coltivazione in serre. Qui, i metodi idroponici sono usati per ottenere risultati più coerenti rispetto a quanto possibile con il suolo.

I vantaggi dell’idroponica

Controllo

Il principale vantaggio dell’idroponica è il livello di controllo offerto dalla tecnica. Questo è particolarmente vero quando combinato con la coltivazione indoor, rispetto alla coltivazione in suolo o anche in serre. Ciò si traduce in molteplici vantaggi per la coltivazione commerciale.

Può produrre risultati più coerenti. Ad esempio, la composizione chimica esatta di una pianta di cannabis destinata successivamente alla produzione di prodotti farmaceutici. Questo permette a ricerca e sviluppo di trovare le condizioni perfette, ottenendo il prodotto di massima qualità.

Può anche consentire un maggiore controllo sul timing della crescita per ottenere una produzione molto coerente e stabile. Questo è molto prezioso per prodotti con domanda relativamente costante ma picchi stagionali di produzione nei campi, come pomodori o bacche.

Combinando ciascuna di queste capacità, il livello di controllo possibile può essere usato per ottimizzare la velocità di crescita, il gusto, l’odore o l’aspetto del prodotto finale della pianta, il quale è probabile che richieda un prezzo premium.

Infine, può anche essere usato per monitorare le colture e rilevare eventuali problemi in anticipo.

Spazio

Grazie a condizioni ottimali, è possibile coltivare più colture per metro quadrato rispetto ad altre condizioni. Questo lo rende una buona opzione per l’agricoltura urbana, come discusso nel nostro articolo “Scaling Urban Agriculture to Bring Many Benefits“. Ciò consente di produrre cibo localmente invece di importarlo per centinaia o migliaia di miglia, anche se terra e spazio sono più costosi localmente.

Sarà un metodo agricolo estremamente prezioso per ambienti avversi come future basi lunari o marziane, dove i costi di trasporto proibitivi renderanno le forniture alimentari coltivate localmente estremamente preziose.

Domanda di nutrienti e rifiuti

Come accennato, poiché i nutrienti sono nell’acqua e quest’acqua rimane nelle camere di crescita e/o in un serbatoio, non c’è perdita di nutrienti nel sistema se non quella effettivamente assorbita dalla pianta durante la crescita.

Fonte: Unsplash

Ciò rende l’uso di fertilizzanti per coltivare le piante il più vicino possibile all’ottimale. Nei metodi più tradizionali di agricoltura, l’uso eccessivo di fertilizzanti nei campi aperti porta a molteplici problemi. Questi includono danni agli ecosistemi del suolo, fioriture algali tossiche e persino eutrofizzazione delle acque dolci. Quindi, ridurre la quantità di fertilizzante che si infiltra nell’ambiente è una preoccupazione ecologica importante e spesso trascurata.

Fonte: Britannica

Uso dell’acqua

Contrariamente a quanto si possa pensare, l’idroponica utilizza molta meno acqua rispetto ai metodi di coltivazione tradizionali. Questo è vero sia nei campi aperti sia nelle serre.

Ciò è dovuto al fatto che l’evaporazione dell’acqua è mantenuta al minimo grazie al ridotto contatto della superficie con l’aria, e non fuoriesce nel suolo. In sostanza, l’acqua rimane all’interno del sistema chiuso.

Di conseguenza, l’idroponica può utilizzare fino a 1/10 dell’acqua rispetto ai metodi tradizionali di irrigazione dei campi. Questo la rende un’opzione eccellente per aree con scarsità d’acqua e/o colture particolarmente assetate, come le verdure a foglia.

Intensità del lavoro

Poiché le piante crescono in un ambiente controllato e progettato su misura, è possibile ottimizzare i costi del lavoro. L’automazione può sostituire la maggior parte del lavoro agricolo tradizionale più pericoloso, e le piante già coltivate in vasi senza suolo possono far risparmiare tempo per la raccolta, la pulizia e l’imballaggio.

Gli svantaggi dell’idroponica

Costi

La principale limitazione dell’idroponica sono i suoi costi. Poiché richiede strutture dedicate e spesso pompe, ventilazione, ecc., è molto più costosa da installare rispetto ai metodi agricoli tradizionali. Questo è ulteriormente aggravato nei climi freddi che richiedono hardware aggiuntivo come il controllo climatico e le luci artificiali – ognuno dei quali aumenta i costi energetici delle operazioni di coltivazione.

A causa di questo limite, la maggior parte delle aziende commerciali che si affidano all’idroponica si concentra su colture ad alto valore come frutta, bacche, verdure a foglia, cannabis, ecc., nel tentativo di massimizzare il ritorno sull’investimento.

Fino ad oggi, questo problema ha ostacolato l’adozione più ampia dell’agricoltura verticale in generale, includendo non solo l’idroponica ma anche l’acquaponica e l’aeroponica.

Resilienza

I sistemi idroponici sono, per loro natura, più artificiali rispetto alle colture in campo aperto. Ciò significa che dipendono dal corretto funzionamento di ciascuna delle seguenti componenti:

• Catena di fornitura di parti e componenti.
• Fornitura di energia elettrica.
• Sistema elettronico connesso per operazioni altamente automatizzate e avanzate.
• Manodopera qualificata in grado di eseguire efficacemente il monitoraggio e la manutenzione richiesti.

Sebbene esistano modi per mitigare questi rischi, ad esempio con ridondanza dei sistemi o un inventario più ampio (che aggiunge ai costi di installazione), o con l’approvvigionamento locale di energia tramite generazione rinnovabile, l’idroponica non sarà mai così resiliente come una coltura irrigata dalla pioggia in campo aperto.

Malattie trasmesse dall’acqua e contaminazione da alghe

Patogeni

Rimuovere il suolo elimina ovviamente tutti i rischi legati alle malattie trasmesse dal suolo, ma significa anche rimuovere un intero ecosistema di microbi benefici che proteggono dalle malattie delle piante. Nel frattempo, l’acqua costantemente in circolazione può essere un vettore per la diffusione di altri patogeni, il che rende gli eventi avversi devastanti e più rapidi nei sistemi idroponici.

I due organismi più comuni che causano malattie nell’idroponica sono Pythium e Phytophthora, entrambe malattie fungine. Pythium può attaccare tutte le piante, mentre Phytophthora tende a colpire principalmente le colture floreali.

Per affrontare questi problemi, gli agricoltori tipicamente adottano pratiche regolari di pulizia e sanificazione e l’uso di filtri, che possono ridurre significativamente il rischio di patogeni vegetali trasmessi dall’acqua. Inoltre, test e monitoraggi regolari sono altrettanto utili per rilevare i primi segni di contaminazione.

Si raccomanda anche l’uso di più sistemi idroponici paralleli e non collegati per grandi installazioni, per evitare contaminazioni diffuse. Controllare il pH dell’acqua può aiutare a ridurre la crescita fungina.

Alghe

Un altro contaminante che può influire sui sistemi idroponici sono le alghe. Mentre l’acqua contiene il mix perfetto di nutrienti per favorire la crescita delle piante, lo stesso mix è al contempo l’ambiente ideale per le alghe unicellulari. Se presenti, le alghe creano uno strato viscido e difficile da pulire sulle superfici e possono persino ostruire i filtri dell’acqua o i piccoli tubi.

Mentre i sistemi idroponici non devono preoccuparsi delle erbe infestanti come in un campo, le alghe sono essenzialmente equivalenti. Come le erbe infestanti, le alghe privano le colture dei loro nutrienti, riducendo la crescita e la salute delle piante.

Inoltre, le alghe riducono la concentrazione di ossigeno nell’acqua. Il primo effetto è che può danneggiare le radici delle piante e la loro crescita. Il secondo problema è che favorisce la crescita di malattie fungine come il Pythium.

Esistono diversi metodi per controllare la crescita delle alghe, dall’uso di filtri per pulire l’acqua in ingresso, all’esposizione dell’acqua a luce UV per uccidere le alghe (le lampade UV sono regolarmente usate per uccidere i microrganismi per rendere potabile l’acqua nelle utility pubbliche).

Innovazione nell’idroponica

Illuminazione a LED

Le luci a LED sono una tecnologia cruciale nell’idroponica, rendendo l’intera pratica fattibile su scala commerciale. Questo perché tali luci consumano molto meno energia rispetto alle fonti luminose tradizionali, durano più a lungo ed emettono significativamente meno calore.

Inoltre, non tutto lo spettro della luce visibile è utile per le piante nella fotosintesi, quindi i LED dedicati senza luce verde possono essere usati per ridurre ulteriormente l’elettricità consumata dall’illuminazione artificiale.

Fonte: Agritecture

IoT e automazione basata su sensori

Il calo dei costi dei sensori e dell’elettronica ha reso possibile il monitoraggio continuo di temperatura, umidità, luce, livelli di pH e volume dei nutrienti.

Sebbene più avanzata, questa agricoltura basata su sensori aiuta a tracciare e regolare le condizioni di crescita in tempo reale per garantire rese ottimali, rafforzando il risultato finale dell’agricoltore.

Tecnologie basate sull’IA

Come accennato, l’idroponica richiede un intenso livello di monitoraggio del sistema idrico, delle malattie, dei livelli di nutrienti, ecc. A tal fine, l’IA è sempre più utilizzata per aiutare a ottimizzare le condizioni ambientali esistenti, inclusi i livelli di luce, umidità e nutrienti.

L’IA aiuta anche a ottimizzare gli investimenti e ridurre i costi creando piani di crescita personalizzati per ogni tipo di pianta.

Può anche utilizzare la visione artificiale o test biochimici per avvisare della presenza di patogeni prima che un umano possa farlo.

Infine, con l’avvento dei robot agricoli autonomi, possiamo immaginare un sistema idroponico in cui la semina, la potatura, la raccolta e la sostituzione delle piante possono avvenire in modo completamente automatico.

Nuove innovazioni agricole

La coltivazione idroponica consente un controllo diretto sulle piante in modo impossibile nell’agricoltura tradizionale. Questo apre la porta a sperimentazioni per nuovi modi di aumentare la produttività delle colture oltre a migliorare l’accesso a luce o nutrienti.

Ad esempio, esploriamo una di queste opzioni nel nostro articolo “Electricity Set to Supercharge Growth in Hydroponic Crops”. I ricercatori hanno usato un substrato artificiale personalizzato, o “suolo conduttivo / eSoil” fatto di cellulosa (il componente principale della carta) mescolata con un polimero conduttivo chiamato PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene).

In questo modo, hanno potuto esporre le piantine a una tensione continua bassa, ottenendo un aumento del 50% del tasso di crescita.

Fonte: PNAS

Questo è un esempio di come i sistemi idroponici potrebbero offrire guadagni di produttività significativi grazie al loro maggiore livello di controllo.

Costruire un’installazione idroponica

Quando si pianifica di costruire un’installazione idroponica, la prima domanda dovrebbe essere – Perché scegliere l’idroponica rispetto ad altri metodi di coltivazione? Ci possono essere molte ragioni:

• Risparmiare acqua o ridurre l’inquinamento.
• Poter sperimentare nuovi metodi di coltivazione.
• Consumo domestico su piccola scala o strumenti pedagogici.
• Coltivare su larga scala colture di alta qualità e alto valore.

A seconda della risposta, possono essere scelti diversi sistemi idroponici.

Un’operazione commerciale dovrà bilanciare le risorse disponibili con i costi di avvio cercando al contempo di minimizzare i costi operativi. Considerare i mercati locali e i margini sarà estremamente importante nella scelta delle colture. Il livello di automazione e la maturità della tecnologia utilizzata dovrebbero anche essere considerati.

Un sistema domestico su piccola scala deve essere adattato alle competenze tecniche dei costruttori e degli utenti, poiché un design “ottimizzato” ma troppo complesso probabilmente non funzionerà bene. Componenti pronti all’uso saranno probabilmente un’opzione migliore in questo caso.

Un sistema dedicato a risolvere un problema specifico, come la scarsità d’acqua, dovrà concentrarsi su questa metrica, soprattutto se rende gli altri elementi meno ottimizzati.

L’idroponica come parte di un sistema più ampio, ad esempio combinata con l’acquacoltura (aquaponica), dovrà essere progettata tenendo conto degli altri passaggi e componenti.

Conclusione

L’idroponica è un approccio potente ai sistemi di coltivazione, offrendo livelli eccezionali di controllo sulle condizioni di crescita. Questi sistemi sono tipicamente molto efficienti, vantando un uso ottimizzato di fertilizzanti e acqua. Questo la rende un metodo ideale di coltivazione su scala commerciale per colture difficili da coltivare o prodotti di alto valore dove tempi perfetti, gusto, composizione, aspetto o altri parametri qualitativi possono giustificare un prezzo molto più alto.

Grazie alla sua densità e alta produttività, è anche un buon sistema per la produzione alimentare su scala domestica o l’agricoltura urbana, dove lo spazio è spesso un vincolo.

È, tuttavia, un sistema molto più complesso rispetto all’agricoltura o al giardinaggio tradizionali. Questo lo rende più costoso, più tecnico da installare e mantenere, e più soggetto a problemi unici come la contaminazione da alghe e le malattie trasmesse dall’acqua che devono essere gestiti tramite soluzioni dedicate. In alcuni casi, sarà altrettanto impegnativo per persone o aziende che non possiedono le capacità tecniche per affrontare queste sfide interne.

Nel complesso, sebbene sia improbabile che sia efficiente in termini di costi quanto le colture coltivate in massa a basso prezzo nei campi aperti, l’idroponica può essere una buona soluzione a problemi specifici o un buon metodo per coltivare prodotti di alta qualità e locali.