Exposé sur l’aéroponie haute pression en pratique

Que ça soit pour atteindre la sécurité alimentaire en réduisant la pollution et les émissions liées au transport; ou pour cultiver le cannabis médical le plus puissant et propre possible, la pratique de l’aéroponie haute pression offre la solution. Pour la pratiquer, il faut savoir maitriser la qualité de la brume d’abord, puis surmonter les obstacles liés à son développement en rendant la technique libre d’accès pour tous.

Les bienfaits de l’aéroponie sont connus depuis plusieurs décennies mais avec les légalisations récentes du cannabis, on recommence à chercher la formule gagnante promise par cette technique hors sol de haut niveau. Pourtant, c’est plutôt avec la vision de nourrir les populations plus efficacement qu’elle fut expérimentée depuis 100 ans.

Ce sont aussi les défis alimentaires et écologiques de notre époque qui nous ont poussé à mettre cette technique en pratique, il y a 3 ans. Comme plusieurs chercheurs avant nous, nous avons obtenu des résultats impressionnants sur la santé, la qualité et la productivité des récoltes tout en réduisant l’utilisation d’eau et d’engrais et en éliminant complètement l’utilisation de produits phytosanitaires.   Mais la question est vite devenue : Pourquoi cette technique n’est–elle pas plus utilisée dans le monde de l’agriculture aujourd’hui ?

En surmontant plusieurs défis techniques, comme la colmatation des brumisateurs, nous avons constaté que certaines limitations techniques ont pu freiner l’application à grande échelle de l’aéroponie.  Mais c’est en survolant son passé complexe que nous avons perçu les facteurs socio-économiques et la confusion commerciale qui l’empêchent de prendre son envol et devenir une solution viable pour les producteurs et l’environnement.

Au Québec, où nous produisons localement moins de 20% de nos fruits et légumes et que l’utilisation de pesticides est considérée comme la plus grande menace pour nos cours d’eau, il est grand temps de partager nos avancées et espérons que celles ci contribueront à rendre l’aéroponie accessible pour tous.

 

1. La solution aéroponique

« Selon AgriHouse, les producteurs qui choisissent d’utiliser la méthode aéroponique peuvent réduire de 98% la consommation d’eau, de 60% l’utilisation d’engrais et de 100% l’utilisation de pesticides, tout en maximisant le rendement de leurs cultures de 45 à 75%. […] Ces résultats ont essentiellement prouvé que les plantes à culture aéroponique absorbent plus de minéraux et de vitamines que d’autres techniques de culture. » – NASA Spinoff (2006)

« [L’Université de la ville de] Hô Chi Minh a étudié avec succès la méthode aéroponique de culture du brocoli, des tomates, des pommes de terre, des épinards, etc. Les résultats obtenus ont été au moins deux fois supérieurs à ceux d’une plantation et d’une culture normales sur le sol […] Croissance 2,5 fois plus rapide; économiser plus de 70% sur l’irrigation. » – Trung (2011)

« L’Aéroponie est une méthode sans sol pour la production de semences de pomme de terre. La méthode peut produire des rendements plus élevés (jusqu’à 10 fois plus élevés), plus rapidement et à un coût moindre que les méthodes de culture conventionnelles. » – Otazú (2010)

Bien qu’il y ait encore beaucoup de recherches à faire sur l’aéroponie, son efficacité et ses résultats ne sont plus à prouver.  Les études de la NASA sur le sujet dans les années 80-90 ont conclu qu’il s’agissait de la technique de culture la plus optimale en ressources pour soutenir toutes formes de plantes ; que ça soit pour la propagation de boutures, les récoltes de haute valeur en passant même par les arbres fruitiers.  Plusieurs pays tels que la Chine, le Vietnam, la Russie et le Pérou ont augmenté leurs productions de pommes de terre grâce à l’aéroponie.

Les chiffres de Richard Stoner et la NASA sont impressionnants : 98% moins d’eau, 60% moins d’engrais, 100% moins de pesticides (cela vaut aussi pour les herbicides et algicides) pour 45 à 75% plus de production que l’agriculture conventionnelle moderne.  Cela représente une solution rêvée pour les cultivateurs faisant face à l’appauvrissement et la contamination des sols, les pénuries en eau et la dépendance aux produits phytosanitaires.  C’est surtout une option décente pour augmenter les rendements en agriculture tout en diminuant la pression sur les territoires.

Trop beau être vrai ?  L’explication est pourtant simple : lorsqu’on donne à une plante les conditions optimales en la nourrissant à volonté mais sans la forcer, elle est plus productive, plus saine et plus résistante naturellement aux maladies et ravageurs.  La plante ne dépense pas toute son énergie à construire un énorme système racinaire car les nutriments sont disponibles et assimilés directement aux racines. L’oxygène et le CO₂ sont aussi abondants au niveau racinaire ce qui prévient les maladies fongiques et aide la croissance. Aussi, avec une brume de qualité, les racines sont stables donc aucun il n’y a dommage lié au stress ou de surproduction de racines dû à un mauvais ancrage.

2. Notre approche expérimentale dans la pratique

En 2017 après 19 ans de perfectionnements en hydroponie, Jean-François a franchi la frontière qu’il contemplait depuis longtemps : mettre l’aéroponie en pratique pour cultiver des fruits et légumes à l’année.  Au départ, nous avons vite constaté qu’il y avait très peu de matériaux et d’information disponibles, et que les gens expérimentés étaient non seulement rares mais avaient souvent abandonnés depuis longtemps après quelques échecs. Nous avons toutefois persisté et découvert un monde unique dont on ne voudra plus jamais se passer.

Avec des moyens limités, nous sommes partis en quête de la brume parfaite de 50 à 70 microns, du système de filtration idéal à 0 micron et de la chambre de racines avec une hauteur optimale.  Nous ne sommes issus d’aucun centres de recherche ni universités.  Notre approche est pratique d’abord et expérimentale par la force des choses car tout semblait à faire pour réaliser ce concept. Nous préférons de loin travailler avec les meilleurs engrais d’Advanced Nutrients mais n’avons jamais reçu de commandite et ne sommes affiliés à aucune entreprise. Nous n’avons jamais reçu de subventions ou d’investissements non plus.

La seule personne à qui nous rendions des comptes au départ était notre fille de 2 ans pour lui offrir des fraises sans pesticide et une sécurité alimentaire pour son avenir et celui de sa génération.  Face à nos réussites, nous voulons maintenant pousser le concept plus loin afin de rendre cette technique accessible à tous les producteurs en réduisant les coûts d’équipements et l’entretien des systèmes sans compromis sur les performances.

 

3. Limitations et défis de l’application à grande échelle

Depuis 30 ans, on entend les mêmes arguments sur les limitations techniques de l’aéroponie soit l’entretien, le coût et la disponibilité des équipements ainsi que la dépendance à l’électricité et la courbe d’apprentissage.  Pourtant plusieurs projets à grande échelle ont vu le jour à travers le monde et même dans certains pays où les ressources sont limitées.

C’est ce qui nous a poussé à observer également les facteurs socio-économique qui ont freiné son développement.  Outre les pays qui ont gardé les recherches militaires secrètes au départ dans un contexte de guerre froide, on fait face aussi aux géants de l’industrie des engrais et produits phytosanitaires pour qui l’aéroponie est une menace à leur chiffre d’affaire.

Pour en revenir aux aspects techniques, si la dépendance à l’électricité et la courbe d’apprentissage sont facilement surmontables, le défi de la colmatation des brumisateurs est celui qui posait le plus problème.  Pour obtenir une brume nutritive idéale, soit autour de 50 microns selon la NASA, l’ouverture de la buse de brumisation doit être au plus fin.  En irrigation, de tels buses sont utilisées pour contrôler les taux d’humidité et avec une eau pure il n’y a habituellement aucun problème. Cependant lorsqu’on y ajoute 350 voire 500 ppm de minéraux et/ou nutriments organiques on fait face à un problème de colmatation en dedans de 2 mois parfois même 2 semaines s’il y a de la matière organique dans la solution.

Traditionnellement dans le monde de l’aéroponie, deux stratégies ont été utilisé pour faire face à ce problème.  Pour un centre de recherche universitaire ou militaire avec beaucoup de budgets, remplacer régulièrement les buses n’est pas un problème. Cependant pour un producteur commercial, ça n’est simplement pas une option si on considère que chaque brumisateur coûte entre 5 et 15$.  Aussi, un besoin d’entretien au milieu d’une saison peut s’avérer compliqué voire catastrophique.

L’autre option, est d’élargir l’ouverture des buses et de travailler avec des systèmes à basse pression.  On y abaisse considérablement les coûts mais au lieu d’une brume bien atomisée on se retrouve avec un jet sur les racines.  Ceci réduit considérablement les bénéfices de l’aéroponie car les racines sont en constant mouvement donc stressées, parfois coupées et en surproduction.

L’aéroponie à haute pression peut aussi être dommageable pour les racines s’il y a des variations de pression au moment où les brumisateurs se mettent en marche et les lignes se vident de leur air dans un mouvement saccadé.  Nous appelons ce phénomène « cracher sur les racines ».  Pour y remédier, la technique actuelle consiste à mettre toutes les lignes d’irrigation sous pression constante à l’aide d’un réservoir d’accumulation de pression et de plusieurs interrupteurs, valves électroniques, relais et contrôleurs.  C’est une autre solution couteuse, d’autant que ces valves perdent souvent leur efficacité avec le temps, ce qui décourage beaucoup de producteurs d’adopter l’aéroponie.

C’est difficile de croire qu’une méthode plus adaptée aux besoins des producteurs n’avait jamais vu le jour.  Nous savons que l’industrie des engrais, pesticides, herbicides, fongicides, algicides et cie a beaucoup à perdre dans une économie agro-alimentaire basée sur des méthodes moins polluantes.  Leurs lobbys ont longtemps mis des bâtons dans les roues aux cultures biologiques et l’aéroponie a le potentiel d’être nettement plus efficace que celles-ci dans la réduction des intrants et l’augmentation des productions.   Aujourd’hui, on présente l’agriculture biologique comme la solution de l’avenir mais 116 produits phytosanitaires sont maintenant permis en culture biologique et la plupart des compagnies d’engrais organiques ont été soit achetées par les géants de l’industrie ou sont forcées d’acheter leurs nutriments de base aux mêmes géants.

D’autre part, les cultures hors sol n’étant pas encore éligibles à une certification biologique, les producteurs n’ont pas la motivation d’une valeur ajoutée à leurs produits pour les développer. De plus, les seules méthodes hydroponiques adoptées commercialement (NFT, DWC, Aquaponie) sont assez gourmandes en eau donc en engrais.  Un fait qui ne veut rien dire en soi mais remis en contexte apporte des pistes de réflexion.  Un survol de l’histoire de l’aéroponie aide à remettre un peu les choses en perspective.

 

4. Contexte et perspectives des débuts de l’aéroponie

Premières recherches

C’est le biologiste russe Vladimir M. Artsikhovsky qui étudie pour la première fois des plantes cultivées à racines nues et publie l’article « On air plants » dans Experimental Agronomy en 1911.  Plusieurs scientifiques dans le 20^e siècle ont ensuite utilisé cette méthode pour avancer leurs recherches sur les maladies racinaires comme W.A. Carter qui publie « A method of growing plants in water vapor to facilitate examination of roots » dans Phytopathology en 1942 ; L.J Klotz qui étudie les racines d’agrumes et d’avocatiers malades avec une brume vaporisée en 1944 et conclut que la méthode permet d’avoir des arbres plus sains ; et G.F. Trowel qui cultive des pommiers avec des jets aux racines en 1952.  C’est au botaniste hollandais Frits Warmolt Went qu’on doit le nom de la méthode « Aéroponie » avec laquelle il cultive du café et des tomates en 1957.

Développements sur fond de guerre froide

Les brevets déposés par la suite donne un indice sur les premiers développements commerciaux et on peut y voir que l’aéroponie était, elle aussi, au cœur de la course technologique de la guerre froide.

En Israël en 1977, Isaac Nir brevette les premiers système et méthode complète en utilisant l’air compressé pour la brume, des panneaux de styromousse et la pasteurisation.

Quelques brevets sont signés par l’union soviétique au début des années 80 et concernent surtout des brumisateurs mais il y a peu d’information en anglais à leur sujet.

Aux États-Unis en 1983, Agrihouse (Steven Schorr et Richard Stoner) avec l’appui de la NASA brevette le Genesis Machine, un appareil pour bouturage avec le premier processeur d’automatisation et d’irrigation par intermittence.  En 1989, le québécois Karl F. Ehrlich brevette un design vertical qui améliore le modèle du cadre en A (A-frame).

En 1990, l’Institut de recherche sur la biotechnologie agricole panrusse à Moscou commence les études sur la propagation de pomme de terre et en 2000, le candidat aux sciences biologiques Yuri Tsaturovich Martirosyan lance le Urozhay-9000.

La Chine quant à elle améliore sa productivité de tubercules de patates et passe de 11 tonnes/ha en 1991 à 17 tonnes/ha en 2000 grâce à l’aéroponie.  Pendant ce temps en Espagne, Italie et Corée plusieurs brevets sont déposés.

À partir de 2006, les États-Unis et la NASA chapeautent des projets de semences de pomme de terre au Vietnam et au Pérou et publient leurs études pour le grand public. La technologie devient alors connue et les projets se multiplient dans le monde.  Aujourd’hui, on trouve de l’aéroponie de haut niveau en Ukraine, en Inde, au Japon et dans plusieurs pays d’Afrique.  La plus grande ferme commerciale est Aerofarms au New Jersey et ses créateurs, Ed Harwood et Travis Martin, ont breveté une technologie de culture aéroponique avec jet sur du tissu réutilisable en 2014.

 

5. La confusion commerciale

Pour ajouter aux défis que l’aéroponie doit surmonter dans l’esprit populaire il faut mentionner qu’il existe une confusion sur le marché à propos du mot lui même.  AeroGrow une compagnie de Scotts-Miracle Gro affiliée à General Hydroponic et Monsanto/Bayer est la première à avoir commercialisé en 2004 une mauvaise utilisation du terme « Aéroponie » avec son Aerogarden.  Dans cet appareil, la solution nutritive se trouve au fond et l’atomisation se fait par une pompe à air vibrante.  Les racines ne tardent pas à plonger dans la solution car la chambre de racines est peu profonde et elles n’ont pas accès à une vraie brume aéroponique.  C’est en réalité un système DWC (Deep Water Culture) un peu glorifié.

Ensuite c’est Tower Garden en 2006 qui a commencé à utiliser le terme alors que son système se rapproche plutôt d’un NFT vertical.  La solution nutritive est injectée par le haut de la tour et ruisselle à l’intérieur.  Fait intéressant, leur brevet ne mentionne pas le terme « aéroponie » mais bien « système hydroponique ».  Par contre, leur marketing est basé sur ce mot et pour beaucoup de gens leur produit est la définition même de l’aéroponie.

Dans les deux cas, ce sont des modèles simples à utiliser et fonctionnels pour les particuliers.   Cependant leurs performances ne se comparent pas à l’aéroponie haute pression et leur utilisation nécessite beaucoup plus d’eau et de nutriments. Ce sont donc des modèles inefficaces pour être appliqué commercialement à grande échelle.

Une autre technique qu’on appelle le Dry Fog (brouillard sèche) est parfois commercialisée comme étant une aéroponie plus simple, fiable et économique.  Pour atomiser la solution nutritive on utilise une machine ultrasonique éliminant ainsi les buses et le brouillard qui en ressort, a des grosseurs de gouttes entre 1 et 10 microns.  La NASA a pourtant déterminé que la grosseur idéale des gouttelettes est de 50 microns pour soutenir des cultures à long terme.  De plus, il a été souvent démontré que le Dry Fog reste en suspension dans l’air trop longtemps, n’entre pas assez en collision avec les racines et finit par prendre la place de l’oxygène dans la chambre de culture.  Les plantes se développent de façon surprenante au départ, mais se retrouvent bientôt déshydratées, en carence nutritive et suffoquées.

 

6. Nos résultats et notre vision

Pour notre part, nous avons développé des solutions différentes aux problèmes récurrents de l’aéroponie tout en allégeant le coût des équipements et sans compromis sur la qualité de la brume.  En utilisant un système de filtration et des brumisateurs plus adaptés à nos besoins, nous avons pu éliminer les équipements de valves électroniques et le réservoir de pression.  Nos buses et nos filtres se rincent, sont réutilisables et l’entretien se fait aux 8 mois minimum même avec des engrais organiques.  Cela permet de faire des saisons complètes sans se soucier de la colmatation des brumisateurs.

Avec une pression de 60 à 125 psi on obtient une atomisation de 50 à 70 microns.  La brume est délicate mais assimilable et les racines restent parfaitement stables même à l’ouverture de l’irrigation. De plus la gravité ramène rapidement les gouttelettes vers le drainage ce qui accélère le séchage et augmente les taux d’oxygène dans la chambre.  Nos pompes consomment très peu d’énergie et peuvent être supportées par un système d’urgence composé de panneaux solaires ou chargeurs et batteries 12V.  Nous avons tout de même choisi de mettre un petit cube de coco autour de la partie la plus sensible de nos plantes ce qui garde leur cœur humide. Cela nous permet d’avoir un tampon de minimum 4h avant de devoir irriguer en cas de soucis techniques, manque d’électricité ou d’entretien.

Nos résultats parlent d’eux mêmes.  Nous avons récolté des multitudes de fraises, concombres et poivrons en plein hiver, des radis de 184 g, des betteraves de 200 g, des mûres sauvages avec des branches de croissance de 17 pieds de haut, des centaines de piments d’Espelette sur chaque plant, des laitues plus larges que nos enfants, du tabac en 3 semaines et un demi kilo de piments Aji Charapita sur une plante de 17 mois et ses deux boutures d’un an.  Les trois Charapita font d’ailleurs maintenant plus de 7 pieds de haut et 20 pieds carré d’envergure sans montrer un seul signe de faiblesse ou de mécontentement quant à leur milieu de vie.  Bien au contraire, on parle ici d’une espèce qui reste un buisson de 3 pieds dans son état naturel au Pérou.  Toutes nos récoltes ont été documentées et diffusées en ligne pour éloigner tous les doutes possibles.

En comparant notre méthode à celle d’Agrihouse dénommée True HPA^tm nos avantages se situent au niveau de l’entretien et des coûts.  Les systèmes d’Agrihouse bien qu’ils soient les pionniers du marché se vendent encore à des prix astronomiques comme s’ils étaient fait pour des budgets d’exploration spatiale.  Les systèmes HPA à faire soi même (DIY) qu’on retrouve actuellement en ligne sont très semblables à ceux d’Agrihouse, avec un coût beaucoup plus raisonnable, mais quand même dépendants des valves électroniques et du réservoir d’accumulation de pression.  On y retrouve aussi les mêmes problèmes de colmatation et si la brume est mal calibrée on peut vite en perdre sur les performances.  Finalement à comparer aux autres méthodes bons marchés, nos équipements sont compétitifs mais offrent le vrai potentiel de rendement et d’efficacité de l’aéroponie.

	Brume	Racines	Tampon	Entretien	Résultat	Coût
Vertiponic	50-70 μm √	Stables √	Cœur (4h) √	8 mois √	Élevé √	Bon √
True HPAtm	20-50 μm √	Stables √	Non χ	2 mois χ	Élevé √	Cher χ
HPA DIY actuel	20-70 μm √	Moyen ∼	Non χ	2 mois χ	Élevé √	Moyen ∼
Low pressure	Gouttes χ	Agitées χ	DWC ∼	?	Moyen ∼	Bon √
Dry Fog	1-10 μm χ	Suffoquées χ	Non χ	?	Non χ	Bon √

*** Toutes ces données sont estimées selon les informations libres d’accès à titre indicatif seulement.

Depuis le début, nous avons travaillé en équipe et fait beaucoup de sacrifices pour concrétiser ces projets.  J’ai eu à faire pleins des recherches sur les cultures maraichères et parcourir les quatre coins de la province et des Internet pour trouver les bons équipements.  Sauf que c’est Jean-François qui a débloqué l’impasse dans laquelle se trouvait l’aéroponie.  Armé de ses expériences en horticulture, en hydroponie, en mécanique et en construction, il a vu les solutions différemment là où des entreprises ont passé des années à chercher la bonne voie.

Conseils pour la culture aéroponique d’hiver

En attendant que nous préparions nos cultures pour l’hiver et le lancement de la technologie en source libre, voici quelques conseils si vous êtes en train d’aménager votre propre espace intérieur.

D’abord le choix de l’espace exige différents paramètres.  Pour une culture complètement fermée vous devez recouvrir vos murs, planchers et plafond de polyéthylène noir et blanc (Black & White) ou de papier argenté Mylar afin de maximiser votre éclairage et d’éviter les problèmes de mildiou et autres.  Jean-François aime construire un cadre de bois pour minimiser les trous dans les murs mais il existe aussi des tentes de culture déjà argentées.

Comme lumière nous recommandons un ballast digital équipé d’un cooltube et blower avec une ampoule HPS 600W ou 1000W (pour la floraison) et Metal Halide (pour la croissance).  Il faut s’assurer que le ballast digital puisse s’ajuster à toutes les ampoules que vous aurez besoin.  Les cooltube et blower sont là pour éviter la surchauffe dans la chambre de culture tout en récupérant cette chaleur vers l’espace de vie et ainsi économiser sur la facture de chauffage.  Avec une installation comme telle vous pouvez ajouter un filtre au charbon si vous cultivez du cannabis et/ou si vous avez des allergies au pollen.

Une autre possibilité est d’installer son système devant des fenêtres pleins sud et d’ajouter un éclairage d’appoint soit des Sunblaster T-5 ou Sunblaster DEL pour prolonger la photopériode.  Dans ce cas assurez-vous que tous vos composants : tuyaux, tables et réservoirs sont recouverts de blanc comme du polyéthylène ‘’Black & White’’ car le soleil même en hiver peut faire surchauffer votre solution nutritive en peu de temps.

Pour le système aéroponique vous devez prévoir : Pompe, Filtres, Brumisateurs, Chambre de racines, Réservoir, Plomberie, Drains, Support pour plantes (Panier 3.5’’ avec boulettes d’argile et coco ou cube de laine de roche ou néoprène), Minuteur cyclique à la seconde, Engrais (recommandé Advanced Nutrients).  . Contactez-nous au besoin, car nous avons quelques kits à assembler soi-même (DIY) de notre technologie déjà disponibles incluant une pompe, un système de filtration et les brumisateurs. Pour tous projets hydroponiques, vous aurez aussi besoin de quelques outils pratiques et incontournables : Osmose inversé, Ordinateur et sonde à PH, Crayon EC/PPM.

Merci de nous avoir accompagné jusqu’ici dans cet exposé qui n’est que le début.  Jean-François tient à vous rappelez que : « vos cultures de haute valeur, n’ont pas de droit à l’erreur. »  À bientôt les mains dans l’eau et les racines en l’air !

Pour garder contact : Le groupe Facebook Aéroponie et Hydroponie .

 

• Bryan, III. « Hydroponic Plant Cultivating Apparatus » Patent 7,055.282 B2. 6 Juin, 2006
• Chanh Trung / Cultiver des légumes sans sol / 2011
• Ehrlich, Karl F. « Aeroponic Apparatus » Patent 4,869,019. 26 Septembre, 1989
• NASA Spinoff (2006) Progressive Plant Growing Has Business Blooming.Environmental and Agricultural Resources NASA Spinoff 2006, pp68-72.
• Nir, Isaac. « Apparatus and method for plant growth in Aeroponic conditions » Patent 4,332,105. 1 June 1982.
• Otazú, V. 2010. Manual on quality seed potato production using aeroponics. International Potato Center (CIP), Lima, Peru. 44 p.
• Schorr, Steven et al. « Method and apparatus for aeroponic propagation of plants » Patent 4,514,930. 7 May, 1985
• Wainwright et al. « Low Pressure Aeroponic Growing Apparatus » Patent 6,807,770B2. 26 Octobre, 2004