Kirliliği, nem seviyelerini ve kimyasal bileşimi gözlemlemek için dönümlerce araziyi ve suyu izleyebilen “kablosuz sensör ağları” geliştirildi.

Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendisliği Okulunda (PME) profesör ve Argonne Ulusal Laboratuvarında kıdemli danışman olan Supratik Guha, kablosuz sensör ağlarını geliştirdi. Guha, bu sistemlerin gezegenin hızla değişen kompozisyonu hakkında ihtiyaç duyulan verileri açığa çıkaracağına inanıyor.

Supratik Guha, konu ile ilgili olarak şu görüşlerde bulundu: “Bu sensör ağları, bir ekosistemin doğru bir resmini oluşturmak için gerekli olan gerçek zamanlı, yüksek yoğunluklu veriler sağlayacak. Nehirlerin nasıl kirlendiğini, topraktan ne kadar gübrenin akıp gittiğini görmek istiyoruz. Daha iyi verilerle, karasal ekolojistler daha iyi nitrojen ve karbondioksit döngüsü modelleri geliştirebilir. Çiftçiler, tam olarak doğru miktarda suyu, doğru zamanda kullanabilirler.”

Tarımda, küçük veri noktalarının geniş kapsamlı etkileri olabilir. Hacimsel su içeriği, belirli bir toprak parçasına ne kadar suyun emildiğini ve bir çiftçinin bugün tarlasını sulayıp sulamayacağını belirler. Çok az suda bitkiler solabilir, fazlası ise toprak erozyonunu şiddetlendirerek kaynağı israf eder ve mansaptaki arzı kirletir. Aynı durum karasal ekoloji için de söylenebilir. Ancak kısa vadeli çevresel değişikliklerle ilgili kaliteli verilere ulaşmak yakın zaman için zor görünüyor.

Daha ucuz sensörlerin ve Sigfox gibi düşük güçlü kablosuz sistemlerin ortaya çıkışından yararlanan Prof. Guha ve ekibi, Thoreau projesi adı altında üç ayrı çevresel sensör ağı oluşturdu. Bu ağların ilki birkaç Hint nehrindeki su kalitesini izliyor, ikicinsi Chicago Üniversitesi kampüsü etrafındaki toprak nemini kaydediyor ve üçüncüsü Illinois, Batavia’daki Fermi Ulusal Laboratuvarı yakınlarındaki bir pilot çiftlikte yıl boyunca toprak bilgilerini topluyor.

Doktora öğrencisi Gregory Grant, proje hakkındaki görüşlerini şu şekilde dile getirdi: “Sensörleri bir tarlaya ya da ulusal bir ormana ya da doğa koruma alanına dikkat çekmeyecek şekilde yerleştirerek su kalitesini ya da toprak sıcaklığını izleyebiliyoruz. Kaliforniya gibi bir yerde bu, orman yangınlarını izlemek veya tarımsal yönetime yardımcı olmak için güçlü bir araçtır. Tehlike olarak görebileceğimiz fazla su kullanımını, gübre akışını ve kirlilik hakkında bilinçli kararlar verebiliriz. Bu noktada öğreneceğimiz çok şey var.”

Sensör teknolojisi hızla gelişiyor ve Thoreau ağlarının her birinde kullanılan belirli bileşenler zaman içinde değişiklik gösterdi. Fermi çiftlik ağı (Thoreau 2.0), plastik kaplı bir devre kartına bağlı, nispeten ucuz bir toprak sensörü kullanır. Çiftliğin 23 düğümünün her biri, hacimsel su içeriğini, sıcaklığı ve toprağın elektriksel iletkenliğini tespit ettikleri yüzeyin 1,5 metre altına gömülü. Dört adet AA lityum-iyon pil, düğümlere güç sağlayarak onlara kabaca dört buçuk yıllık bir çalışma ömrü sağlar. Sensörlerin uzun ömürlü olmasının anahtarı, bazen “sıfır-G” ağları olarak adlandırılan, düşük frekanslarda küçük miktarlarda veri ileten bir teknoloji olan düşük güçlü geniş alan ağı (LPWAN) donanımını kullanmalarından kaynaklanıyor. Sensörler toprağa gömüldükten sonra her otuz dakikada bir bilgi toplayarak alanın ortasında bulunan 9 metrelik güneş enerjisiyle çalışan bir baz istasyonuna aktarıyor ve bu istasyon da bilgileri Guha’nın laboratuvarına iletiyor. İşlenen veriler de projenin web sayfasında herkese açık olarak görüntüleniyor. Ağ 2019’dan beri faaliyette ve neredeyse hiç bakım gerektirmiyor. Bu da günlük çiftlik operasyonlarına müdahale etmeden yıllarca çalışabileceğini gösteriyor.

Ekolojik ölçekte araştırma

Profesör Guha’nın nehir kirliliğini izleyen ilk çevresel sensör ağı, 2017 yılında Hindistan’da geliştirildi. O zamandan beri o ve ekibi, çevresel sürdürülebilirlik ve ileri tarıma yönelik en son teknolojiyi uygulamak için küresel bir ortak çabaya katıldı.

NSF ve USDA, Geleceğin Tarımsal Dayanıklılığı, Yönetimi ve Sürdürülebilirliği için Yapay Zekâ (AIFARMS), enstitüsünün bir parçası olarak pilot ağı destekliyor. AIFARMS, dünya tarımının karşı karşıya olduğu önemli zorlukları ele almak için temel yapay zekâyı geliştiren çok kurumlu bir yapı.

Guha, bu konu hakkındaki görüşlerini de şu şekilde aktarıyor: “Chicago Üniversitesine gelmemin büyük bir nedeni, farklı arayışları keşfetmek ve bu uzmanlar ağıyla çalışmaktı. Aslında, su projem UChicago Hukuk Fakültesi’nden Anup Malani ile bir iş birliğiyle başladı ve ardından Enerji Politikası Enstitüsü (EPIC) ve Chicago Üniversitesinin Delhi ofisi ile etkileşimler yoluyla daha da büyüdü. Günümüzün karmaşık çevre sorunlarına karşı gerçek bir etki yaratmak için bu ağa ihtiyacımız var. Kolay erişilebilir ve standartlaştırılmış bileşenleri entegre ederek bir sistem oluşturabilmeniz açısından çok yol kat ettik. Bu alandaki gelecekteki araştırmalar, ağları uygun fiyatlı hale getirmeye odaklanacak, böylece küresel ölçekte konuşlandırılabilecekler. Ayrıca, bugün güvenilir bir şekilde ölçemediğimiz birçok parametreyi kolayca ölçebilen yeni sensörler geliştirmek için çalışıyoruz.”

Guha, sistemi bir bütün olarak basitleştirirken sensör birimlerinin maliyetini daha da düşürmeyi hedefliyor.

Derleyen: Tuğba Akkesen