Física Atmosférica y Meteorología aplicadas para la innovación


En 1969 la Universidad de Costa Rica fue designada por la Organización Meteorológica Mundial como un Centro Regional en Formación Meteorológica. Desde entonces la UCR ha tenido un rol líder en la capacitación de personal técnico y profesional en meteorología, así como en investigaciones en el área de ciencias atmosféricas, desarrolladas principalmente en el CIGEFI en las áreas de climatología y modelado. El desarrollo que ha tenido lugar en la UCR ha favorecido el fortalecimiento en docencia e investigación en las áreas mencionadas. Sin embargo, la investigación enfocada en el desarrollo e implementación de instrumentación meteorológica a nivel nacional y regional ha sido un pendiente.

Con el fin de solventar las necesidades, cada vez mayores, de contar con un espacio dedicado al desarrollo de instrumental y al uso de técnicas de monitoreo avanzadas, se crea a finales de 2019 en la Escuela de Física el Laboratorio de Observación del Sistema Climático (LOSiC). La creación de este laboratorio, apoyada por la Vicerrectoría de Investigación y la Facultad de Ciencias Básicas abre la puerta a la innovación no solo en meteorología sino a una amplia variedad de aplicaciones ambientales. El LOSiC corresponde a un espacio en que la innovación se pone a disposición del quehacer universitario y al mismo tiempo fomenta el vínculo externo con sectores para los que la información meteorológica es relevante. La visión del laboratorio se enfoca en el desarrollo de nuevos productos y servicios ajustados a la realidad universitaria y nacional, así como brindar soluciones a las necesidades de los diferentes sectores.

El uso de instrumentos meteorológicos ha formado parte importante del desarrollo de la carrera de meteorología en el país. Muchos de los instrumentos utilizados hasta ahora fueron productos importados, causando que el rol de estudiantes e investigadores se limitara a usuario del instrumento y la información generada. Sin embargo, el uso de instrumental importado para su uso en el país se ve afectado por los altos costos y limitaciones para reparación, mantenimiento y calibración. Más aún, muchos de los instrumentos son desarrollados para regiones de latitudes medias que no siempre garantizan un funcionamiento óptimo en las condiciones típicas del clima de la región. La capacidad de construir instrumentos meteorológicos como soluciones a problemas específicos, personalizarlos e implementarlos es algo que hasta ahora se había realizado de manera limitada. El CIGEFI ha realizado algunos proyectos pioneros relacionados a instrumentación meteorológica, como la creación de tanques de rotación o sistemas para calibración de sensores de humedad. Ante la necesidad creciente de monitoreo para diferentes aplicaciones en sectores como el agrícola y el ambiental, la creación del LOSiC viene a proveer ese espacio de interacción entre los desarrolladores de las aplicaciones instrumentales de la meteorología y física atmosférica y los usuarios tienen lugar.

Las instalaciones del LOSiC cuentan con espacios que permiten la aplicación de conocimientos adquiridos en las carreras de la UCR, además de otros conocimientos, en un ambiente colaborativo en que los estudiantes participan activamente del proceso de diseño y creación de los instrumentos. Estos espacios incluyen un laboratorio de electrónica de uso general, un laboratorio de construcción de instrumentos, una sala abierta para ensamblaje y pruebas, un laboratorio de impresión 3D, un laboratorio de visualización de productos, un laboratorio seco, un laboratorio húmedo y un laboratorio para investigación de procesos de interacción en la biosfera así como un invernadero para pruebas y una zona verde para el uso de los prototipos. Las facilidades mencionadas son de mucho interés para los estudiantes de las carreras de Meteorología y Física, así como de diferentes carreras de Ingeniería y programas de posgrado que han encontrado en el laboratorio un espacio para desarrollar sus proyectos de graduación. De igual manera, los espacios exteriores han facilitado el desarrollo de proyectos colaborativos como el que se desarrolla con la Estación Experimental Agrícola Fabio Baudrit Moreno (EEAFBM).

Meteorología aplicada para medición y control en agronomía

Uno de los proyectos que impulsó la creación del LOSiC se desarrolla en conjunto con la EEAFBM y corresponde a una iniciativa que busca soluciones para el fertirriego de precisión a bajo costo. Esas soluciones deben mejorar el rendimiento manteniendo los costos bajos, pero, con la capacidad de satisfacer las necesidades del cultivo y maximizando la eficiencia energética e hídrica. El proyecto se ha nutrido de los conocimientos de profesores y estudiantes en las área de agronomía, física, meteorología e informática para la creación de dispositivos que permitan crear este tipo de sistemas. El espacio colaborativo que ha permitido la interacción entre esas áreas del conocimiento busca el desarrollo de soluciones innovadoras para resolver problemas de la realidad nacional. ¿De qué sirve una solución novedosa al problema si está fuera del alcance de los que más lo necesitan? En el LOSiC se combinan conocimientos formales de las áreas mencionadas con tendencias como el internet de las cosas (IoT en Inglés) para utilizar componentes abiertos/libres de bajo costo y crear soluciones útiles, de fácil fabricación y distribución como alternativa para la resolución de los problemas presentados por los sectores mencionados.

Estudiantes Mercedes Álvarez y German Ureña (asistentes del proyecto de investigación y cruciales en el proceso de innovación) instalando las estaciones de monitoreo de aire junto al Dr. Freddy Soto dentro de un invernadero de la EEAFBM.

Para realizar fertirriego se requiere de a) un sistema de monitoreo que permita conocer en tiempo real las variables que afectan directa o indirectamente al cultivo y b) un sistema de control que permita la modificación de las variables. Información específica del cultivo como requerimientos nutricionales, hídricos y condiciones ambientales óptimas son aportados por los profesionales en agronomía del proyecto. El aporte de Meteorología y Física se realiza principalmente en el diseño y creación de la instrumentación para el monitoreo y control de las condiciones. Profesionales en informática utilizan toda la información generada para diseñar algoritmos que permitan extraer más y mejor información para conocer los datos a través de visualizaciones útiles y controlar las condiciones de acuerdo a las necesidades establecidas. Como parte de estas tareas se han desarrollado hasta el momento 4 diferentes instrumentos en el LOSiC para este proyecto.

Entre los dispositivos desarrollados en el LOSiC para el proyecto de fertirriego se pueden mencionar un instrumento para monitoreo de sustrato y otro para monitoreo del aire, ambos alimentados por energía solar y con capacidad para realizar transferencia de datos a larga distancia (hasta varios kilómetros). Además se desarrolló un instrumento para medición precisa de temperatura con sensores redundantes en espectro infrarrojo para condiciones de invernaderos. Recientemente se completó un instrumento de medición contínua de masa que permite monitorear el peso total del sistema (medio de cultivo, planta, y agua). Actualmente se cuenta con el desarrollo de un prototipo base del sistema de control que se deberá completar en el primer trimestre de este año. Para dar continuidad al desarrollo se cuenta con un fondo aprobado con Banca para el Desarrollo que se utilizará para llevar este producto a un agricultor nacional de manera que sea evaluado por los productores.

Producto creado en LOSiC

 El LOSiC ha creado varios otros instrumentos para apoyar sus actividades y proyectos. Una micro-estación meteorológica automática (uEMA) se desarrolló para realizar mediciones continuas de las condiciones del tiempo durante las giras de campo. La uEMA mide temperatura, presión atmosférica, humedad relativa del aire, y radiación solar en varios rangos espectrales. Existen otras versiones que inclusive pueden medir concentración de CO2 y tienen independencia energética de un mes y capacidad para 4 años de datos cada 10  segundos.  La  versión  actual  de  la  uEMA  es  la  tercera  y  se  espera que se pueda comercializar pronto para que la comunidad universitaria y quienes la requieran para sus actividades puedan tener acceso a este innovador producto.

La segunda versión de la micro-estación meteorológica automática creada en LOSiC durante una gira realizada al Parque Nacional Chirripó en Octubre del 2019.

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