La tecnología de cultivo en interiores ha mejorado rápidamente en los últimos años, aumentando en sofisticación y eficacia. Esto es impulsado por la demanda de un mercado agrícola de interior en rápido crecimiento, que requiere una eficiencia de producción cada vez mayor. Se prevé que el mercado agrícola de interior crezca un 10.9% anual entre el 2021 y 2028, pasando de 36,400 millones de dólares a 75,300 millones de dólares (EE. UU.) [1]. Esto ha creado desafíos, ya que se espera que los dispositivos electrónicos funcionen sin problemas durante años en las condiciones más rigurosas.
Tecnología de Crecimiento para La Agricultura de Interior
La introducción de la robótica en la agricultura ha aumentado enormemente la productividad de las granjas de interior. Los robots pueden realizar diversas operaciones, desde levantar pesos pesados hasta las tareas más complejas, como verificar visualmente la madurez de los cultivos listos para la cosecha mediante algoritmos de aprendizaje automático.
Los robots para rociado dentro de las versiones móviles mejoradas y automatizadas de los sistemas aeropónicos impacta significativamente la eficiencia del cultivo en interiores. Los robots para rociado utilizan boquillas específicas para regar las plantas, produciendo micropartículas de agua que son fácilmente absorbidas por las raíces de la planta. Su aplicación reduce significativamente el consumo de agua en la zona de cultivo y, en consecuencia, reduce los costes de cultivo [2].
Las luces LED para cultivo son otra tecnología importante para la agricultura de interior. Los fabricantes se enfocan en la ingeniería de las luces para cultivo con la intensidad y espectro de la luz ideales para especies de cultivos particulares, optimizando el rendimiento de las plantas, tamaño, cantidad de hojas e incluso el sabor.
El objetivo es lograr el mayor flujo de fotones fotosintéticos (PPF) mientras se minimiza el consumo de energía requerido de la luz para cultivo. Incluso con un PPF óptimo de las luces para cultivo, es necesario ajustar otros dos parámetros para maximizar el proceso de fotosíntesis: la adición de CO2 artificial y el aumento de la temperatura. El aumento de la temperatura ambiental agrega desafíos adicionales a la confiabilidad de los dispositivos electrónicos agrícolas de interior.
Corrosión Inducida Químicamente en Ambientes de Alta Temperatura
Ya sea que los productores utilicen sistemas de cultivo hidropónico en el suelo o sin suelo, se enfrentarán al mismo problema. Tanto los fertilizantes de base sólida como los de base líquida tienden a evaporarse fácilmente a la atmósfera en ambientes de alta temperatura. La mayoría de los fertilizantes se basan en compuestos de nitrógeno, potasio y fósforo, y solo los dos últimos no son corrosivos.
El hidróxido de potasio es un compuesto ineludible para la fertilización de todas las plantas, especialmente en la etapa de floración. Este compuesto es muy corrosivo para los metales. Por otro lado, los compuestos nitrogenados, necesarios para el desarrollo de la vegetación, reaccionan con el agua y tienden a vaporizarse. Como resultado, forman gases nítricos altamente corrosivos que penetran a través de la encapsulación LED y atacan el metal en el lado interno.
Desafíos del Ambiente Interior de Alta Humedad
l ambiente de alta humedad es estándar para los cultivadores de cannabis y evoluciona en la etapa de floración. Es inducida por una alta tasa de transpiración donde las plantas liberan agua a través de sus hojas, por lo que es común para muchos otros cultivos.
Entonces, ¿cuáles son los problemas comunes para todos los entornos de alta humedad? Primero, el potencial de las enfermedades fúngicas, que todos los productores temen porque pueden arruinar sus cosechas. En segundo lugar, la corrosión puede dañar permanentemente los dispositivos electrónicos del interior, lo que afecta la eficiencia y rendimiento de la iluminación.
Impacto de La Corrosión en La Vida Útil de Los Dispositivos Electrónicos en Las Granjas de Interior
Las soldaduras a base de plomo y sin plomo que contienen estaño, comúnmente utilizadas en tarjetas de circuito impreso (PCB) de luces para cultivo, sistemas robóticos y sistemas de control, son susceptibles a la corrosión. Independientemente de la resistencia a la corrosión del estaño por la humedad, no puede resistir la influencia del ácido nítrico o hidróxido de potasio, que son agentes oxidantes fuertes [3].
Esos agentes pueden grabarse en las uniones soldadas que unen los componentes electrónicos a la tarjeta. El resultado es un debilitamiento de las conexiones entre los cables de los componentes montados en la superficie y los contactos de la PCB. Ese escenario puede causar numerosos problemas, el menos dañino es un circuito roto. En ese caso, los dispositivos electrónicos dejan de funcionar y deben ser reparados o reemplazados. Esto puede provocar una caída en el rendimiento de los cultivos y la insatisfacción del cliente hacia el proveedor de los dispositivos electrónicos. Eso es malo, por supuesto, pero podría ser peor.
En otro escenario probable, la mala conexión afecta la intensidad de la corriente que pasa por las luces LED o la selectividad de las longitudes de onda que se emitirán. La mala conexión también puede deberse a la corrosión del cobre. Aunque el cobre tiene cierta resistencia a la corrosión contra la humedad y varios productos químicos, no puede resistir la corrosión durante un período de tiempo prolongado.
Como resultado de la corrosión, la intensidad de la luz emitida por las luces LED será menor que la deseada. La diferencia podría ser indetectable a simple vista, pero aún así podría reducir significativamente el rendimiento. En otro caso, los colores emitidos podrían cambiar de los del objetivo. Nuevamente, esto podría no ser notado por los productores, pero los rendimientos, tamaño de la planta, número de hojas e incluso el sabor podrían verse afectados notablemente. Entonces, en estos escenarios, pueden transcurrir ciclos de cultivo completos sin que se detecte corrosión en los dispositivos electrónicos de la luz LED para cultivo. La detección tardía de un problema es inevitablemente más costosa.
El mayor problema de la vida útil de los robots agrícolas de interior es su contacto constante y directo con pequeñas gotas de agua. La exposición constante a la humedad conduce a una mayor velocidad de reacción de corrosión, lo que los hace más vulnerables. Dado que los sistemas robóticos son altamente complejos, el más mínimo cambio en su funcionamiento podría provocar pérdidas inconmensurables, especialmente en instalaciones comerciales.
La prevención de la corrosión es una actividad esencial que permite la durabilidad y una larga vida útil de todos los dispositivos electrónicos en las granjas de interior. Aunque los dispositivos electrónicos en los sistemas robóticos y reguladores generalmente son accesibles para reparación y mantenimiento preventivo, la mayoría de las luces LED para cultivo no son prácticas de reparar. Se deben tomar medidas preventivas en el punto de fabricación de los sistemas electrónicos para fortalecerlos lo suficiente como para sobrevivir mejor a los rigores de la agricultura en el interior.
Resistencia al Agua de La PCB con Los Revestimientos de Conformal
El fabricante de las luces para cultivo, sistemas robóticos y de regulación puede tomar medidas para aumentar la resistencia al agua de sus componentes electrónicos. Hay varias estrategias que se pueden implementar para garantizar la confiabilidad de la luz para cultivo:
- Empaquetado/sellado: todas las luces para cultivo están empaquetadas con el objetivo de evitar que la contaminación externa llegue a los componentes electrónicos internos. En realidad, es casi imposible evitar que la humedad se abra paso en un 100% de tiempo, y aún así tener un dispositivo que sea económico de ensamblar y reparar.
- Encapsulados (compuestos para encapsular): otra estrategia es sumergir completamente los componentes electrónicos sensibles en una resina epoxi. Eso elimina cualquier posibilidad de reelaboración o mantenimiento una vez que la PCBA esté encapsulada, pero será a prueba de agua. Una preocupación es que el encapsulado sobre la luz LED podría atenuar la luz y potencialmente cambiar el color. También haría problemática la disipación del calor, lo que podría reducir drásticamente la vida útil de las luces LED. En la fabricación de las luces LED para cultivo, la encapsulación epoxi elimina la posibilidad de volver a trabajar en tarjeta dañada o una luz LED defectuosa, que podría requerir solo reparaciones menores. Sin la capacidad de reparación, la única alternativa es desechar un panel completo de luces LED costosas.
- Revestimiento de conformal: en lugar de sumergir la tarjeta de circuito en una capa gruesa de resina, se puede aplicar una capa de resina que se "adapte" a las superficies de la tarjeta y los componentes. Los revestimientos de conformal son generalmente lo suficientemente delgados para permitir una disipación térmica adecuada y, a diferencia de los encapsulados, se pueden quitar para volver a trabajar y reparar las luces LED para cultivo. Aunque no es tan resistente al agua como el compuesto para encapsulado, el revestimiento de conformal puede proporcionar suficiente protección resistente al agua cuando se usa junto con un empaque sellado.
Techspray ofrece numerosos revestimientos de conformal que incluyen características que se adaptan a los entornos específicos de las granjas de interior. Es decir, las formulaciones del revestimiento se fabrican específicamente de acuerdo con la protección necesaria, ya sea resistencia térmica, química, a la humedad o estática.
Para la electrónica en la granja de interior, los compuestos agresivos en ambientes de alta humedad presentan la mayor amenaza. Los revestimientos de conformal de silicona son la mejor opción para la electrónica agrícola en los interiores, ya que brindan una excelente resistencia química y a la humedad. Como resultado, su aplicación protege permanentemente las PCB y todos los demás componentes electrónicos propensos a la corrosión, lo que garantiza su durabilidad en entornos hostiles.
Techspray desarrolló Fine-L-Kote™ LED2 específicamente para aplicaciones de diodos emisores de luz (LED). Este revestimiento es completamente transparente, lo que significa que no interfiere con la longitud de onda o intensidad de la luz, que es una preocupación particular de todos los cultivadores. Además, este revestimiento es hidrolíticamente estable y conserva sus propiedades físicas y eléctricas incluso después de una exposición a alta humedad durante períodos prolongados. La última característica, que cabe destacar, es su flexibilidad y resistencia a temperaturas extremas, lo que es particularmente importante en las tarjetas de circuito rígidas y flexibles que se encuentran en las luces LED para cultivo.
Importancia de La Limpieza de La Tarjeta de Circuito Impreso (PCB)
La mayoría de las PCB modernas se sueldan con no-clean flux para evitar la necesidad de un proceso de limpieza. En el caso de los dispositivos electrónicos utilizados en entornos extremos, como granjas de interior, la limpieza se vuelve más importante en el proceso de montaje electrónico, incluso para no-clean flux.
Si hay algún residuo iónico en la PCBA, como residuo de flux del proceso de la soldadura, humedad y corriente pueden provocar el crecimiento dendrítico. Las dendritas son ramas conductoras que literalmente crecen de un punto de contacto a otro, provocando fugas de corriente o cortocircuitos.
Además, la limpieza de los componentes electrónicos es aún más importante antes de aplicar el revestimiento de conformal. La falta de limpieza o limpieza inadecuada es una causa común de los defectos del revestimiento de conformal como ojos de pescado, falta de adherencia y desprendimiento. Estos defectos abren puntos de entrada para la humedad y productos químicos, lo que aumenta la posibilidad de los problemas de corrosión. Para obtener más información sobre los defectos de revestimiento de conformal, consulte https://www.techspray.com/how-to-identify-and-cure-the-top-7-conformal-coating-defects.
Los removedores de flux (defluxers) eliminan los residuos de flux y otros contaminantes dejados por la fabricación, revisión o reparación de las tarjetas de circuito impreso. Los residuos de las temperaturas más altas sin plomo se queman más y son más difíciles de limpiar. Se ha comprobado que los removedores de flux PWR-4™, G3®, E-LINE™ y Precision-V™ son muy efectivos para remover flux quemado a temperaturas de soldadura sin plomo.
Los microcomponentes y cables con espacios finos son delicados y se dañan fácilmente, por lo que se deben evitar cepillar y limpiar si es posible. Tanto G3®, E-LINE™ como Precision-V™ tienen un aerosol poderoso y un disolvente fuerte que elimina los residuos y limpia las áreas debajo de los componentes que un cepillo no puede tocar.
Techspray ofrece limpiadores tradicionales a base de solventes y tecnologías de vanguardia a base de agua comercializadas bajo la marca Techspray Renew™. Los limpiadores de marca Techspray Renew son soluciones innovadoras que combinan lo mejor de las tecnologías "ecológicas" actuales para fabricar los limpiadores ecológicos más potentes del mercado.
Revestimiento de Conformal y Removedores de Flux Tecshpray
La ingeniería electrónica para los entornos extremos de la agricultura de interior es un desafío, pero es importante para evitar impactos negativos en el rendimiento y calidad de los cultivos. El revestimiento de conformal y la limpieza de la PCB es fundamental para garantizar la larga vida útil de las luces para cultivo, sistemas robóticos y de regulación. Para obtener más información, comuníquese con un especialista en aplicaciones de Techspray al 678-819-1408 o info@itwcce.com.
Referencias
1. Reporte del análisis de tamaño, participación y tendencias del mercado agrícola de interior por tipo de instalación (invernaderos, granjas verticales), por componente (hardware, software), por categoría de cultivo, por región y pronósticos de segmento, 2021 - 2028
2. Imran Ali Lakhiar y Jianmin Gao y Tabinda Naz Syed y Farman Ali Chandio y Noman Ali Buttar. (2018) Tecnologías modernas de cultivo de plantas en agricultura bajo ambiente controlado: una revisión sobre aeroponía, Journal of Plant Interactions, Vol. 13,338-352.
3. Mori, Masato y Miura, Kazuma y Sasaki, Takeshi y Ohtsuka, Toshiaki. (2002). Corrosión de aleaciones de estaño en ácidos sulfúrico y nítrico. Ciencia de la corrosión - CORROS SCI. 44. 887-898. 10.1016 / S0010-938X (01) 00094-4.
