Vertical farm, il futuro?

Uno degli scopi principali di un’esposizione internazionale, soprattutto se ha per oggetto la produzione di cibo, dovrebbe essere quello di rappresentare alcuni possibili scenari futuri, soprattutto agli occhi delle nuove generazioni.  E’ in quest’ottica che è stato realizzato presso Expo 2015 a Milano, nell’ambito del Future Food District di Coop Italia, in collaborazione con Enea e con alcune aziende italiane e olandesi, il primo prototipo italiano di “vertical farm”.

Si tratta di una piccola unità, ma completa e perfettamente funzionante, in cui lattughe e basilico vengono coltivati a ciclo continuo su 6 bancali sovrapposti.  Tali ortaggi vengono raccolti e ri-trapiantati ogni 3 settimane, così da realizzare ca. 16-17 cicli di coltivazione per anno alla densità di 20-25 pt/m².

Gli elementi fondamentali di una “vertical farm”, che potremmo tradurre anche come “serra verticale”, pur in spazio ridotto, sono comunque tutti rappresentati: coltivazione multistrato e fuori suolo in cella chiusa; riciclo totale di acqua (inclusa quella traspirata dalle colture), fertilizzanti e aria (CO₂) della cella; illuminazione integrale e continua con lampade a Led; clima costante e ottimale, controllato automaticamente e indipendente da quello esterno.

Per quali ragioni una vertical farm potrebbe essere un possibile scenario futuro dell’agricoltura, soprattutto per colture ad alta densità come le lattughe?

L’umanità ha impiegato alcuni millenni per arrivare a ca. 7 miliardi di abitanti mentre ora, entro il 2050, crescerà di altri 2 miliardi: dovremmo produrre più cibo, il doppio dei livelli attuali, in un orizzonte di risorse sempre più limitate, addirittura alcune sono previste in via di esaurimento prima ancora che si raggiunga la fatidica soglia dei 9 miliardi, come ad esempio il Fosforo.

La disponibilità di terreni arabili è già da anni un problema in alcune nazioni densamente popolate.  L’acqua irrigua sarà il vero “oro blu” del prossimo futuro, quindi diventerà una risorsa strategica più importante di quanto non sia oggi il petrolio.

La sempre maggiore richiesta di fonti energetiche, purché rinnovabili, in quanto quelle fossili hanno già dimostrato i loro pesanti effetti negativi sull’ambiente, sarà un problema cruciale non solo per lo sviluppo del settore agricolo, ma di tutta l’economia mondiale nel suo complesso.

Inoltre i consumatori chiedono non solo più cibo, soprattutto nei Paesi sotto-sviluppati o in via di sviluppo, ma anche di maggiore qualità, più sano e nutriente, soprattutto nei Paesi avanzati.

Dobbiamo imparare velocemente a produrre con meno terreni a disposizione, ovvero aumentare le loro rese unitarie; riciclare l’acqua irrigua e i fertilizzanti, per ridurre l’inquinamento ambientale, ma anche perché si tratta di risorse sempre più scarse; orientarsi verso le energie rinnovabili; abbattere drasticamente, o meglio annullare l’uso della difesa chimica.

Fuori suolo in verticale

Una delle possibili soluzioni per la produzione di ortaggi, soprattutto da foglia, potrebbe essere la coltivazione fuori suolo a ciclo chiuso (riciclo integrale di acqua e fertilizzanti), in ambiente protetto e climatizzato, dove quindi sia più agevole il controllo per via fisica e/o biologica dei principali parassiti delle piante.

Vi sono da anni ampie dimostrazioni, su scala di massa, che il fuori suolo a ciclo chiuso può abbattere fino al 95% l’uso di acqua irrigua, ridurre del 40-60% il consumo di concimi, azzerare l’impiego di pesticidi, grazie al preciso controllo della sanità delle radici e alla gestione computerizzata del clima.

E’ stato anche ampiamente dimostrato che le colture idroponiche, in condizioni ottimali, possono arrivare a triplicare le rese di molte colture, oltre che a migliorare la qualità degli ortaggi, sia organolettica che commerciale.

Il fuori suolo, inoltre, proprio per definizione, non necessita di terreni agricoli fertili, quindi una vertical farm può essere collocata praticamente ovunque: all’interno di una megalopoli, nel deserto del Sahara, in Antartide, fino ad arrivare a una stazione spaziale o a una possibile futura colonia umana extra-terrestre.

La prospettiva più realistica e immediata per le vertical farm sono comunque le grandi città, dove vivrà in futuro l’80% degli esseri umani; molte di loro saranno  megalopoli di alcune decine di milioni di abitanti e con più di un centinaio di chilometri di diametro.

Le fabbriche dell’insalata

Nella maggior parte dei casi le colture più studiate e testate fino a ora sono state lattughe ed erbe aromatiche, in particolare basilico, tanto è vero che al momento, più che di “vertical farms”, sarebbe più corretto parlare di “fabbriche dell’insalata”.  Il motivo è semplice: sono colture compatte, a sviluppo orizzontale e ciclo breve, quindi ben si prestano a sviluppare sistemi fuori suolo a ciclo chiuso continuo e ad elevata automazione, che in alcuni casi è già arrivata alla robotizzazione integrale.

A volte si tratta di sistemi “statici”, ovvero con piani di coltura fissi, mentre in molti altri si è puntato su modelli “mobili” di vario tipo: tubi rotanti attorno a un asse centrale; bancali mobili estraibili; canalette fissate a strutture triangolari (“A-frame”) in lenta rotazione verticale.

Il principale motivo per cui molti ricercatori si stanno orientando verso sistemi mobili è presto detto: tutte le “serre verticali” hanno già dimostrato molti bei vantaggi (ciclo chiuso, ottimizzazione dell’uso del suolo, azzeramento della difesa chimica, etc.), ma hanno anche un enorme tallone d’Achille: la competizione per la radiazione solare tra i vari livelli, per cui qualsiasi sistema multi-strato, che non faccia uso della luce artificiale, è destinato inevitabilmente a fallire.

Lluminazione a Led

Per le vertical farm ci si sta quindi orientando verso l’illuminazione integrale con lampade a Led. Si tratta di luci “fredde”, o che è possibile raffreddare molto facilmente, quindi si possono collocare quasi a diretto contatto con le colture, requisito fondamentale nei sistemi sovrapposti, per ottimizzare l’uso del volume dell’ambiente di coltivazione.

Inoltre sviluppano solo le radiazioni necessarie alla fotosintesi (rosso) e alla foto-morfogenesi (blu-violetto) delle piante; hanno un indice di conversione energia elettrica/luminosa elevato, quindi maggiore resa delle tradizionali lampade a vapori di sodio, utilizzate tradizionalmente nelle serre.

Per molte colture si sono già messe a punto e verificate con successo delle vere e proprie “ricette luminose” a Led (lattughe, basilico, kalancoe, crisantemo, etc.), sia ibrida con luce naturale, sia integrale. L’illuminazione ibrida, pur richiedendo investimenti oggi molto onerosi, ha comunque dimostrato la sua fattibilità tecnica e, anche se nel lungo periodo, pure quella economica.

Tutti i calcoli teorici e i primi prototipi di “colture multi-strato” a illuminazione artificiale integrale a Led, invece, non hanno ancora dimostrato la fattibilità finanziaria in tempi ragionevoli, in quanto la “bolletta energetica” è decisamente molto alta.  È vero che si ottengono anche moltissimi vantaggi dal sistema (massimizzazione dell’uso del suolo, minimizzazione del consumo di acqua e fertilizzanti, azzeramento dei pesticidi, automazione quasi integrale, km0 in caso di coltivazione presso il centro di distribuzione o vendita, etc.), ma questi vengono soverchiati oggi da un costo energetico difficilmente sostenibile.

Questo non significa che si debbano escludere a priori possibili soluzioni future.  Una di queste, ad esempio, anche se allo stato ancora embrionale, prevede la coltivazione multistrato in celle chiuse e coibentate, dove il controllo climatico risulta quindi facile e non particolarmente costoso, con cattura della radiazione solare esterna ad opera di “pellicole dielettriche”, quindi trasferimento diretto della componente fotosintetica (400-700 nm) tramite fibre ottiche e diffusori all’interno delle celle.

E’ ovvio che la superficie dielettrica dovrà essere più o meno pari a quella coltivata, ma questo non preclude di immaginare la fattibilità pratica di “vertical farms” in un contesto urbano, purché si riescano a trovare soluzioni “sostenibili” per l’illuminazione artificiale integrale, richiesta da questi sistemi multi-strato.

Nel mondo

Alcune “serre verticali” sono già state realizzate in Giappone, Corea del Sud, Singapore, Olanda, Stati Uniti, mentre altre sono in via di studio e costruzione (Svezia, Canada, Dubai, etc., ma anche Italia).

Uno dei Paesi dove maggiore è stato fino a oggi l’interesse per le vertical farm è sicuramente il Giappone, soprattutto dopo il disastro di Fukushima.  L’incidente alla centrale nucleare ha determinato la contaminazione di una vasta area limitrofa, tra l’altro una delle poche pianeggianti di tutto il Paese, dove anche il maremoto ha fatto i suoi danni diretti, con la distruzione di molte serre lì costruite.

Uno dei vantaggi di una vertical farm è proprio questo: possiamo coltivare in una cella chiusa ed ermetica, completamente isolata dall’ambiente esterno, in cui tutta l’aria che entra ed esce può essere filtrata e decontaminata.

Il settore ha destato l’interesse anche di multinazionali del settore elettrico ed elettronico, che hanno già dispiegato ingenti investimenti in start-up dedicate e in vari prototipi, alcuni dei quali hanno già raggiunto la scala commerciale.

Altro Paese dove l’interesse è massimo sono gli Stati Uniti, dove da molti decenni hanno più successo presso l’opinione pubblica sistemi “artificiali” di produzione del cibo, che sistemi “naturali”; anzi: più un sistema è “controllato”, più viene percepito dai consumatori come “sicuro”.

Stati Uniti

Negli Stati Uniti, infatti, dove certe decisioni hanno spesso più base tecnica che ideologica, soprattutto rispetto all’Europa, i regolamenti dell’agricoltura “biologica” ammettono anche le colture fuori suolo, persino quelle senza substrato, purché ovviamente siano a ciclo chiuso e si utilizzino solo i fertilizzanti e gli strumenti di difesa ammessi dai disciplinari biologici.

Gli Stati Uniti vantano anche due primati nel settore delle vertical farm: hanno dato i natali a Dickson Despommier, professore di microbiologia e salute pubblica alla Columbia University, il quale viene unanimemente considerato da 7-8 anni a questa parte il “padre” di questo settore. Vantano anche il primo caso di fallimento di una vertical farm (Chicago), in quanto si è preteso di coltivare in un sistema multi-strato senza luci a LED, confidando solo nella luce “naturale” del sole.  Abbiamo quindi la prova che la conoscenza delle vertical farm è ancora assai scarso, anche all’interno della stampa specializzata: le foto oggi più utilizzate su riviste e siti web per commentare l’argomento sono proprio quelle relative a tale fallimento!

Nonostante alcuni “incidenti di percorso”, l’interesse è comunque al massimo: al recente convegno di marzo 2015 a Las Vegas sull’“Indoor Farming” (“agricoltura al chiuso”, potremmo tradurre), vari esperti hanno stimato il valore degli investimenti nel settore nell’ordine di ca. 9 miliardi di dollari nei prossimi 5 anni!  Se ne sono occupati anche operatori finanziari di Wall Street, i quali addirittura hanno fatto stime quasi doppie.

Singapore è un altro mini-stato dove ogni m² di terreno è preziosissimo (7.800 abitanti/km², contro i nostri soli 200, tanto per fare un esempio), quindi massimo è l’interesse per le coltivazioni in verticale. Anche qui il primo esempio di vertical farm su scala commerciale è partito con una struttura “A-frame” (a forma di lettera “A”) senza luce artificiale.

Non è ancora fallito, anche perché i prezzi di vendita della lattuga prodotta sono fuori mercato, ma ne abbiamo verificato la redditività in modo indiretto, nonostante la (voluta?) carenza di informazioni del produttore: le rese non sono maggiori di quanto si potrebbe produrre con un sistema di coltivazione orizzontale, ovviamente molto più economico.

E’ un’ulteriore conferma, se mai ce ne fosse bisogno, che le leggi della fisica non si possono prendere in giro facilmente.  Se ci sarà un futuro per le vertical farm sarà solo con l’illuminazione artificiale integrale, purché troviamo il modo di abbassarne la bolletta energetica.