Sáng kiến công nông nghiệp thông minh cho đô thị thông minh

Công nghệ cao - "lối thoát" khả thi nhất cho nông nghiệp đô thị thông minh

Theo một khảo sát gần đây, 51 quốc gia không có đủ diện tích đô thị để đáp ứng mục tiêu dinh dưỡng là 300 gram rau sạch một người một ngày. Các quốc gia này sẽ cần khoảng 30% diện tích đô thị để đáp ứng nhu cầu rau sạch toàn cầu. Các vấn đề chiếm hữu đất đai và sự phát triển đô thị có thể khiến cho việc giải phóng phần đất này để sản xuất lương thực trở nên khó khăn.

Nhiều nghiên cứu khác cho biết, nông nghiệp đô thị có thể giúp các thành phố đạt được sự tự túc. Ví dụ, Cleveland, với dân số 400.000 người, có khả năng tự đáp ứng 100% nhu cầu rau sạch của người dân thành thị, 50% nhu cầu về thịt gia cầm và trứng và 100% nhu cầu mật ong.

Mặc dù nhiều hứa hẹn, nhưng chỉ một ít tỉ lệ của lương thực, thực phẩm được sản xuất trong các thành phố đến tay nhóm cộng đồng thu nhập thấp, cũng chính là nhóm chủ yếu trong diện tiếp cận lương thực phẩm thiếu an toàn. Nhóm người dễ bị tổn thương nhất lại ít có quyền tiếp cận đất đai và thiếu các kỹ năng cần thiết để thiết kế và chăm sóc các khu vườn sản xuất.

Và nghịch lý này vẫn thường xảy ra ở các đô thị. Oakland, Mỹ có đến 1.200 mẫu đất công cộng có thể sử dụng cho nông nghiệp đô thị, sản xuất từ 5 - 10% nhu cầu rau của thành phố. Năng suất tiềm năng này chỉ thành hiện thực nếu nông dân thành thị địa phương được đào tạo sử dụng các phương pháp nông học áp dụng trồng các loại rau, rễ, củ và thảo mộc đa dạng trong không gian tương đối nhỏ.

Tại Cuba, hơn 300.000 trang trại và vườn đô thị sản xuất 50% nguồn cung sản phẩm tươi sống cho hòn đảo, cùng với 39.000 tấn thịt và 216 triệu quả trứng. Hầu hết nông dân đô thị Cuba đạt năng suất 20kg mỗi mét vuông một năm.

Các thành phố ở khắp mọi nơi đang chuyển sang công nghệ thông minh để giải quyết các vấn đề cấp bách nhất về giao thông, giáo dục, nhà ở. Công nghệ mới nổi làm nên nông nghiệp thông minh bao gồm nông nghiệp theo chiều dọc, nhà kính thông minh và nông nghiệp mở dựa trên IoT kết hợp với đội ngũ nông dân trẻ tuổi tri thức cao - những người nông dân thế kỷ 21 có khả năng tiếp cận với công nghệ GPS, quét đất, nước, ánh sáng, độ ẩm, quản lý nhiệt độ, hệ thống tưới nước tự động, nông nghiệp chính xác, quản lý dữ liệu và công nghệ IoT - trên toàn cầu hoàn toàn có thể làm biến đổi hệ thống lương thực phẩm truyền thống.

Nông nghiệp theo chiều dọc và nông nghiệp đô thị nói chung có lợi ích đáng kể cho các khu vực có nguồn lực để đầu tư. Tuy nhiên, giải pháp đơn lẻ này không giải quyết một vấn đề lớn hơn, như giúp mọi người tiếp cận đủ thực phẩm bổ dưỡng. Gauthier, chuyên gia canh tác đô thị Princeton, chỉ ra rằng có rất nhiều loại cây trồng đơn giản là không thể trồng ở trong nhà, ít nhất là chưa. Nông nghiệp theo chiều dọc không phải là giải pháp để giải quyết nạn đói trên toàn thế giới, nhưng chắc chắn là một phần không thể thiếu của giải pháp tổng thể.

Bất chấp tiềm năng còn non trẻ và thường bị loại khỏi các cuộc thảo luận về chính sách phát triển thành phố thông minh, nông nghiệp đô thị vẫn đang phát triển nhanh chóng khi cố gắng đáp ứng nhu cầu sản phẩm dinh dưỡng đang tăng lên. Năm 2017, thế giới đầu tư 10,1 tỉ đô la vào công nghệ thực phẩm nông nghiệp, trong đó có 200 triệu đô la tài trợ cho hình thức nông nghiệp theo chiều dọc. Rõ ràng, nông nghiệp đô thị đang và sẽ là một thành phần thiết yếu trong cách mà các quốc gia và thành phố tái cấu trúc hệ thống để có được nguồn cung cấp thực phẩm tươi sống sẵn có hơn, linh hoạt hơn và thân thiện hơn với môi trường.

Sự vận động mới nhằm đảm bảo an toàn lương thực phẩm cho đô thị

Nhiều thành phố ở Mỹ và trên thế giới bắt đầu thực hiện chính sách khuyến khích sự tăng trưởng của nông nghiệp đô thị như một phần quan trọng của hệ thống lương thực phẩm địa phương.

New York là nơi Henry Gordon-Smith - đồng sáng lập và Giám đốc điều hành của Agritecture ấp ủ dự án nhỏ có tên là Plus.farm, một website cho các cá nhân và nhóm nhỏ tìm kiếm sự khởi động trang trại đô thị của riêng họ. Dữ liệu về các trang trại đô thị ảnh hưởng trực tiếp đến cộng đồng địa phương có thể buộc các nhà lập pháp hỗ trợ và đầu tư nhiều hơn vào các trang trại đô thị. Gordon-Smith dự định một dự án khác là toàn bộ nhà hoặc khu phố thử nghiệm các công nghệ canh tác đô thị. Ông đã nhận được cam kết 2 triệu đô la từ Chủ tịch quận Brooklyn và chỉ cần có sự phê duyệt của Hội đồng thành phố New York để triển khai.

Văn phòng chuyên trách của Chính quyền thành phố Atlanta đảm bảo sự hỗ trợ người nông dân thông qua trung tâm tài nguyên kỹ thuật số AgLanta, cùng với một loạt các sáng kiến khác. Thông qua chương trình "Grows-A-Lot" của thành phố, người dân Atlanta và các tổ chức phi lợi nhuận đảm bảo được thuê bất động sản 5 năm thuộc sở hữu thành phố.

Nhiều thành phố khác đã thông qua các quy tắc phân vùng và bắt đầu các chương trình để thúc đẩy mở rộng nông nghiệp đô thị. Ở Boston, nhiều hình thức trang trại khác nhau được phép triển khai trong thành phố. Chương trình thực phẩm địa phương Homegrown ở Minneapolis tạo cơ hội giao lưu giữa các nhà đầu tư với cộng đồng địa phương để nghiên cứu và lên kế hoạch cho các chính sách hỗ trợ tương lai. Tại Paris, sáng kiến thành phố có tên "Parisculteurs" hướng đến mục đích bao phủ mái nhà và tường với 100 héc ta không gian xanh đến năm 2020 và dành một phần ba không gian đó cho sản xuất thực phẩm. Và các nhà khoa học Singapore khuyến khích phát triển trang trại đô thị như một phần của yêu cầu xây dựng xanh.

Bản chất phi tập trung và đa dạng của các mô hình canh tác đô thị là một yếu tố đóng góp chính cho ngành công nghiệp hiện đang đổi mới nhanh chóng và có khả năng trở thành một nguồn sản xuất lương thực kiên cường. Những tiến bộ trong quy hoạch nông nghiệp đô thị đang diễn ra một cách từ từ. Các thành phố, cộng đồng, các ngành đang bắt tay để phát huy lợi thế của nông nghiệp - một phần không thể thiếu của thành phố thông minh.

Nông nghiệp theo chiều dọc - bước ngoặt đột phá

Trang trại đô thị có thể đơn giản như khu vườn truyền thống ngoài trời, hoặc phức tạp như nông trại theo chiều dọc trong nhà, mà ở đó người nông dân nghĩ về phát triển không gian ba chiều.

Những nông trang tương lai phức tạp này có thể được cấu hình theo một số cách, nhưng hầu hết trong số chúng chứa các hàng giá đỡ được lót bằng cây trồng trong đất, nước giàu dinh dưỡng hoặc đơn giản là không khí. Mỗi tầng được trang bị ánh sáng UV để mô phỏng hiệu ứng của mặt trời. Không giống như thời tiết khó lường của canh tác ngoài trời, trồng trong nhà cho phép nông dân điều chỉnh các điều kiện để tối đa hóa sự tăng trưởng.

Chưa có mặt trên thế giới cách đây hơn một thập kỷ nhưng ngày nay, hàng chục mô hình tương tự như ở Singapore, Luân Đôn hay Nhật Bản đã trở thành kiểu mẫu hấp dẫn nằm trong chiến lược xây dựng thành phố thông minh.

Một số chuyên gia cho rằng, canh tác theo chiều dọc sẽ trở nên phổ biến trong đô thị thông minh của tương lai. Mô hình này đã được thử nghiệm thông minh ở Singapore, cây được trồng trong các tòa nhà cao tầng, cho lợi ích rất rộng, công nghệ rất mạnh và kết quả rất tuyệt vời.

Nông nghiệp theo chiều dọc có những lợi thế mới: sản xuất cây trồng quanh năm, không mất mùa liên quan đến thời tiết do hạn hán, lũ lụt, sâu bệnh; phương pháp hữu cơ, không thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu hoặc phân bón; giảm đáng kể việc sử dụng nhiên liệu động cơ đầu tư cho máy kéo, máy cày, vận chuyển; cắt giảm vận chuyển, bảo vệ lương thực trong giai đoạn từ nông trại đến người tiêu dùng.

Ở Chicago, Mỹ, nông trại theo chiều dọc đang mọc lên ở các khu vực đô thị trên cả nước, một số trong các tòa nhà cũ đã được tái sử dụng cho nông nghiệp.

Dickson Despommier, tác giả của "Nông nghiệp theo chiều dọc: nuôi dưỡng thế giới ở thế kỷ 21" cho biết, đến năm 2050, gần 80% dân số của thế giới sẽ cư trú ở các trung tâm đô thị. Thành phố sinh thái cần sử dụng trang trại theo chiều dọc, ông tin là như vậy. Dự tính thị trường này có thể đạt giá trị 20 tỷ đô la năm 2020.

Sky Greens là trang trại theo chiều dọc thương mại đầu tiên của Singapore sử dụng hệ thống canh tác theo chiều dọc tự cung tự cấp, gọi là công nghệ "A-Go-Gro", mang lại sản lượng đáng kể khi thai thác tài nguyên đất, nước, năng lượng ở mức tối thiểu.

Sky Greens - bắt đầu tung bán các sản phẩm rau ra thị trường từ tháng 5/2012 - có diện tích bằng 5 lần sân bóng, sản xuất các loại rau nhiệt đới, đặt trên các tầng giá trong các tháp khung chữ A cao 6 mét làm bằng nhôm và thép. Mỗi tháp khung chữ A chứa 32 - 38 kệ rau. Tác giả của kiến trúc tầng rau này là ông Jack Ng hi vọng có thể phát triển 2.000 tháp, từ con số 1.040 tháp năm 2015, trong những năm tới. Giá đỡ theo chiều dọc hoạt động theo hình thức quay chậm nhờ hệ thống ròng rọc nước hỗ trợ trọng lực, triển khai nước mưa từ các bể chứa trên cao. Chỉ cần 0,5 lít nước để xoay cấu trúc 1,7 tấn. Sự luân phiên đảm bảo rằng các loại rau nhận đồng đều ánh sáng mặt trời, luồng không khí và tưới tiêu. Nước điều khiển hệ thống lại được xử lý và lọc trước khi quay trở lại công đoạn đầu. Chất hữu cơ cũng được ủ và tái sử dụng trong khi rau được hái tươi và bán cho các siêu thị địa phương.

Bằng cách tăng năng lực canh tác theo chiều dọc, Sky Greens tin rằng sản phẩm địa phương sẽ tăng 50%, so với chỉ 8% rau được sản xuất trước đó. Tháp rau của Singapore chứng minh năng suất tăng gấp 10 lần so với thông thường, có nghĩa là chỉ cần một héc ta đất để sản xuất cùng lượng rau trên 10 héc ta đất.

New Jersey vốn được biết đến là một bang vườn tược của Mỹ cuối thế kỷ 19 sau này phải chứng kiến những vùng đất trống kém xanh tươi nguy hiểm và nghèo khổ nhất nước ở Camden - thành phố lớn thứ 12 của bang. Nhưng cũng chính Camden hiện tại là câu chuyện nhiều cảm hứng về nền kinh tế lương thực nhỏ đang nở rộ và trỗi dậy khi là đại bản doanh của AeroFarms - một công ty nông nghiệp trong nhà đã thực hiện kế hoạch đột phá bằng một trang trại theo chiều dọc rộng 78.000 mét vuông, trồng 12 tầng rau diếp lá đỏ, cải xoăn, cải chíp, và các loại rau khác.

Hơn một trăm trong số hàng ngàn khu đất của thành phố cũng được chuyển thành các khu vườn cộng đồng để triển khai công nghệ Whizz - nhằm cung cấp thực phẩm lành mạnh và tạo nhiều việc làm cần thiết ở thị trường vốn đã bị bỏ bê, khi chỉ có một siêu thị trong thành phố.

Lợi ích lớn nhất của canh tác theo chiều dọc là bảo tồn nước. Lái xe qua thung lũng Salinas của bang California, nơi trồng phần lớn rau xà lách của Mỹ, có thể thấy hàng trăm vòi phun nước vòng cung lớn trên cánh đồng nhưng phần lớn lượng nước sẽ mất do bay hơi và chảy đi. Ngược lại, hệ thống thủy canh và khí canh (earoponic) chỉ cung cấp lượng nước vừa đủ và được tuần hoàn nhờ hệ thống. Trung bình, các trang trại và nhà kính trong nhà sử dụng nước ít nước hơn ít nhất 70% so với cách thức trồng rau diếp truyền thống ở California. Hiệu quả thứ hai là giảm chi phí vận chuyển do có thể bố trí nhà kính dễ dàng hơn. Sản phẩm rau vì vậy khi đến người tiêu dùng sẽ vẫn còn giữ độ tươi nguyên, ít bị bỏ đi do hư hỏng.

Không có gì ngạc nhiên khi trang trại theo chiều dọc là chất xúc tác cho các nhà đầu tư công nghệ tìm kiếm những cơ hội đột phá lớn tiếp theo. Theo AgFunder, năm 2016, các nhà tài trợ đã rót 126 triệu đô la cho các startups liên quan đến nông nghiệp trong nhà, bao gồm cả ánh sáng và phần mềm. Thị trường toàn cầu dự báo sẽ đạt 12,77 tỷ đô la vào năm 2026, nông nghiệp theo chiều dọc được công nhận là giải pháp quan trọng để nuôi sống thành phố.

Phương thức canh tác này còn tồn tại dưới lòng đất nhằm khắc phục giá thuê đất đắt đỏ và thiếu không gian ở khu vực thành thị. Trang trại Grow ở Luân Đôn được cải thiện từ hầm33 mét. Một trang trại ngầm khác ở thành phố Liverpool là Farm Urban cung cấp rau xà lách, sản phẩm hoa để ăn, các loại thảo mộc thơm - sản phẩm không thuốc trừ sâu, được trồng với lượng nước ít hơn đến 90% so với trồng trên cánh đồng và quy trình không tạo ra chất thải.

Ở New York, các trang trại dưới lòng đất không chỉ sản xuất hơn 500 loài rau, hoa khác nhau mà còn sử dụng một phần mềm chuyên dụng để quản lý hạt giống, thu hoạch, tối ưu hóa hương vị cũng như trở thành điểm tham quan hoặc là nơi tổ chức các khóa tập huấn nhằm phổ biến công nghệ.

Nexton - một công ty khởi nghiệp ở Hàn Quốc cũng xây dựng trang trại theo chiều dọc trong một đường hầm nằm dưới một cao tốc cũ, cách thủ đô Seoul 190km về phía nam. Trồng xà lách, rau xanh và dâu tây dưới núi có nhiều lợi thế. Đối với một cơ sở rộng 6.500m2 tự nhiên duy trì nhiệt độ trong khoảng từ 10 - 20^oC, chi tiêu năng lượng thấp hơn cho làm mát hoặc sưởi ấm; chi phí lao động giảm bằng cách tự động hóa các hoạt động khác nhau; quá trình tăng trưởng cây trồng không cần thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, bố trí cảm biến theo dõi độ ẩm và nồng độ CO2 đã cung cấp sản phẩm tốt cho sức khỏe và giá cả phải chăng. Choi Jea-bin, Chủ tịch của Nexton, cũng sử dụng các chiến thuật phi công nghệ để thúc đẩy sản xuất. Chẳng hạn, ông đã cho phát nhạc của Beethoven và Schubert du dương khắp đường hầm dài 600 mét vì tin rằng âm nhạc sẽ giúp cây trồng phát triển nhanh hơn.

Nâng cấp không gian nông nghiệp thông minh

Sự gia tăng nông nghiệp theo chiều dọc đang rất ấn tượng, nhưng ngành công nghiệp này cũng đang đối mặt với nhiều thách thức do áp lực giảm chi phí và tăng năng suất. Thực tế là việc triển khai ngay cả một trang trại nhỏ, công nghệ thuộc thế hệ thứ nhất cũng đã phải tốn ít nhất là 280.000 đô la. Mặc khác, chi phí để xây dựng trang trại phức tạp với công nghệ tân tiến hơn có thể lên đến 15 triệu đô la. Các chi phí ánh sáng, lao động có thể gây áp lực hơn nữa cho các công ty khi cạnh tranh với các nhà sản xuất hữu cơ và sản xuất truyền thống. Một kg rau xanh được trồng theo phương pháp canh tác theo chiều dọc có giá khoảng 33 đô la, trong khi sản phẩm hữu cơ có giá 23 đô la.

Bước đầu tiên để đảm bảo lợi nhuận lâu dài của trang trại theo chiều dọc là chuyển đổi sang công nghệ thế hệ hai. Có nghĩa là, ngoài việc tự động kiểm soát tưới tiêu, độ ẩm, ánh sáng, CO2 và các thông số liên quan khác, các trang trại cũng có khả năng tự động thu thập dữ liệu và tối ưu hóa các quy trình phát triển. Họ cũng cần triển khai máy móc tiên tiến để tự động vận hành các hoạt động trồng, làm cỏ, thu hoạch, phân loại và sản xuất bao bì để vận chuyển. Những cải tiến này cho phép thế hệ thứ hai của các trang trại theo chiều dọc có sản lượng gấp 55 lần so với các trang trại thông thường.

Trong một trang trại theo chiều dọc thế hệ thứ hai, đèn LED cung cấp ánh sáng cho cây, hiệu quả hơn các hình thức chiếu sáng nhân tạo khác đã được sử dụng như huỳnh quang, đèn sợi đốt, dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn. Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), hiệu quả chiếu sáng LED dự kiến sẽ tăng thêm 70% năm 2030.

Lướt qua hình ảnh trên không của bất kỳ trung tâm thành phố nào cũng thấy một kho báu của không gian chưa sử dụng: nóc nhà. Một bài báo gần đây của Mỹ đề cập không gian trên mái là "biên giới đô thị cuối cùng", gợi lên 35% tổng diện tích đất của thành phố cần được khai thác cho mục đích nông nghiệp. Và trên khắp thế giới, những người nông dân thành thị sáng tạo đang tận dụng tốt biên giới này, biến không gian lãng phí trên mái nhà thành phố thành nguồn cung cấp lương thực tươi xanh.

Những trang trại tầng thượng đã nổi tiếng đang chứng minh cho sự sáng tạo vượt bậc của người nông dân thông minh biết áp dụng công nghệ thông minh: Gotham Greens ở New York là lá cờ đầu của nhà kính trên tầng thượng trên thế giới, trang trại Brooklyn Grange ở New York là trang trại áp mái đô thị lớn nhất thế giới, DakAkker ở Hà Lan là trang trại đô thị tầng thượng lớn nhất châu Âu, HK Farm ở Hồng Kông tuy nhỏ nhưng ước vọng lớn, Lufa Farms ở Montreal nổi bật ở Canada, City Farm ở Tokyo.

Infarm, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Berlin xây dựng hệ thống nông nghiệp đô thị theo một cách thức khác: trang trại mô-đun được đặt tại các địa điểm hướng tới khách hàng, như trường học, cửa hàng tạp hóa, nhà hàng và trung tâm mua sắm, cho phép khách hàng tự chọn sản phẩm. Đối tác của Infarm cũng có thể thêm nhiều mô-đun nếu muốn tăng sản lượng canh tác, trong khi việc sản xuất được theo dõi và kiểm soát thông qua nền tảng dựa trên đám mây. Về cơ bản, toàn bộ hoạt động canh tác theo phương thức này được xem là một dịch vụ, kết hợp phân tích IoT, Big Data và phân tích đám mây.

Infarm hiện đang hợp tác với 25 nhà bán lẻ thực phẩm ở Mỹ, Pháp, Thụy Sỹ như Migros, Casino, Intermarche, Auchan, Selgros và AmazonFresh với tổng cộng hơn 200 trang trại tại cửa hàng, 150 trang trại trong các trung tâm phân phối. Năm 2019, Infarm đã huy động được 100 triệu đô la để mở rộng các nhóm nghiên cứu và phát triển, bán hàng, vận hành.

Tài liệu tham khảo

1. https://smartcity.lv

2. https://www.smartcitiesdive.com

3. https://statetechmagazine.com

4. https://epochtimes.today

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT Số 9+10 tháng 8/2020)