Tarımın  Gökyüzündeki Gözü  İnsansız Hava Araçları (Drone)  Devrimi

Dr. Sami Dura   &   Prof. Dr. Behiç Tekin

Modern Tarımın Zorlukları

Günümüzde pek çok üretici, artan gıda talebi, azalan tarım alanları, erozyon, iklim değişikliği, kar marjlarındaki azalma ve 2030 yılındaki sürdürülebilir kalkınma hedefleri gibi modern tarımın zorluklarını yaşamakta ve aşırı baskı altında üretim yapmaya çalışmaktadır. Bu da onlar için yapılan üretim sırasında mümkün olduğu kadar daha az kimyasal uygulaması yapmak ve katı düzenleme ve yönetmeliklerle karşı karşıya kalmak anlamına gelmektedir. En önemli olası çözümü ise akıllı tarım ve teknolojilerinin tarıma hızlıca adapte edilerek kazandırılmasında gizlidir.

İnsansız hava araçları

Özellikle son yıllarda hızlanan teknolojik gelişimlerin devamında insansız hava araçları (İHA) teknolojisi, tarımın da içinde yer aldığı çok çeşitli disiplinlerde giderek artan oranda kullanılan bir teknolojidir. Basitçe İHA terimini, kendi güç sistemleriyle çalışabilen, üzerinde bir pilot olmadan otomatik pilot ve GPS koordinatları yardımıyla önceden belirlenen rotada uçabilen ya da uzaktan kumanda veya akıllı telefon uygulaması kullanılarak radyo sinyalleriyle manuel olarak çalıştırılabilen, kullanım amacına göre gövdesine farklı faydalı yük (ekipman veya yük) eklenilebilen hava aracı olarak tanımlayabiliriz.

Kullanım amacına göre üzerine çok farklı faydalı yükler (sensör, kamera veya uygulama ekipmanı) eklenilebilen İHA’lar, insan gözünün görebildiği aralığın ötesinde olan şeyleri algılayabilmekte, gerçek zamanlı olarak daha doğru, güvenilir ve objektif bilgileri daha detaylı ve daha az hata ile elde edilebilmekte veya uygulamalar yapılabilmektedir.

Askeri ve sivil birçok alanda kullanılan İHA’lar tarımsal amaç için ilk kez Japonya da Yamaha firması tarafından geliştirilen insansız helikopter Yamaha RMAX’ ın kullanımı ile başlamıştır. Bu dünyada tarımsal girdilerin uygulanmasında kullanılan ilk İHA modeli olup, çeltik üretim alanlarında pestisit uygulamaları için kullanılmıştır. 2014 yılına gelindiğinde, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü, 10 çığır açan teknoloji arasında “tarımsal insansız hava araçlarını” birincil konumda sınıflandırmıştır. Bu durum çevresel ve tarımsal uygulamalar için İHA’lara genel olarak artan ilginin bir sonucu olup, birçok araştırmacı ve bilim insanı, tarımın bu tür sistemlerin en büyük kullanıcısı olarak oynayabileceği önemli rol konusunda hemfikir olmuşlardır.

İnsansız hava araçlarının sınıflandırılmasında çeşitli kriterler kullanılmaktadır. Uçuş menzili ve yüksekliğinin dikkate alındığı sınıflandırmada, 6 ana sınıf yer almaktadır:

1. Yaklaşık 500 m irtifa ve ortalama 1 km menzile sahip olanlar; mikro İHA (Micro Unmanned Aerial Vehicle, UAV)
2. Yaklaşık 800 m irtifa ve ortalama 10 km menzile sahip olanlar; mini İHA (Mini UAV)
3. Yaklaşık 1000 m irtifa ve ortalama 50 km menzile sahip olanlar; kısa menzilli İHA (Close range UAV)
4. Yaklaşık 5500 m irtifa ve ortalama 160 km menzile sahip olanlar; taktiksel İHA (Tactical UAV)
5. Yaklaşık 9000 metre irtifa ve ortalama 2500 km menzile sahip olanlar; orta irtifa uzun havada kalış İHA’ları (Medium altitude long endurance-MALE UAV)
6. 10000 m üzeri irtifa ve ortalama 5000 km menzile sahip olanlar; yüksek irtifa uzun havada kalış İHA’ları (High altitude long endurance-HALE UAV)

Ayrıca kanat yapılarına göre baktığımızda ise aşağıda yer alan 3 ana İHA platform konfigürasyonu yaygın olarak kullanılmaktadır:

1. Sabit kanat (Fixed wing): İnsansız hava aracı belirli bir hıza ulaştığında ihtiyaç duyulan kaldırma kuvvetini oluşturmak için kullandığı sabit kanatlara sahiptir.
2. Hareketli Kanat (Rotary Wings): Kaldırma ve manevra yeteneği bir ya da birden fazla rotora monte edilen pervaneler yardımıyla sağlanmaktadır. Bunlar;
3. Tek rotorlu helikopter (Single rotor helicopter): Rotorcraftlar merkezi direğe bağlı tek bir kanat setini döndürürler. Döndürme ve/veya kaldırma kuvvetini oluşturmak için kuyruk pervanesi ve merkez pervaneyi birlikte kullanırlar.
4. Multikopter (Multicopters): Kaldırma ve kontrol hareketlerini (yalpalama, yuvarlanma ve eğim) elde etmek için çok sayıda rotor kanadı (genellikle 4 ila 8 kanat) içeren döner kanatlar bulunmaktadır. Rotor sayısına göre Quad copter, Hexa copter, Octo copter olarak isimlendirilen modelleri bulunmaktadır.

İHA’ların tarımda kullanımı

İnsansız hava araçları üzerinde taşıdıkları faydalı yük ile başlıca veri toplama ve tarımsal girdilerin (pestisit, gübre vb) uygulanması amacıyla kullanılmaktadır.

Veri toplanması amacıyla İHA’larda kullanılan sensörlerin ölçülmesi istenen veriye göre çeşitlilik gösterdiği ve hedefe yönelik görüntü elde edilebilmesi açısından kullanılan sensörlerin teknik özelliklerinin son derece önemli olduğu bilinmektedir. Bu amaçla kullanılan faydalı yükleri Lidar sensörler ( nokta bulutu – üç boyutlu görseller sağlar), nesnelerin ısı fark esasına göre ayrım yapan termal sensörler ve görünür ve kızıl ötesi dalga boyunda yansımaları ölçebilen multispektral ve hiperspekteral sensörler oluşturmaktadır. Organik/inorganik nesneler pasif/aktif enerji kaynaklarından kendilerine gelen enerjiyi yansıtmaktadır. Multi spektral ve hiperspektral sensörler görünür ve yakın kızıl ötesi dalga boylarında bitkilerin yansıttığı enerjiyi ölçerek sağlık durumları ile ilgili veri toplamaya olanak sağlamaktadır.

Tarımsal uygulamalarda çoğunlukla aşağıdaki elektromanyetik dalga boylarına duyarlı sensörler kullanılmaktadır:

1. Kırmızı, yeşil ve mavi (Red, Green, Blue, RGB) dalga boyu: Bitki sayısının belirlenmesi, yükseklik modellemeleri ve tarımsal alanların görsel olarak incelenmesi için kullanılmaktadır.
2. Yakın kızılötesi (Near Infra-Red, NIR) dalga boyu: Su yönetimi, erozyon analizi, bitki sayımı, toprak nemi analizi ve bitki sağlığının değerlendirilmesi için kullanılmaktadır.
3. Kırmızı kenar dalga boyu (Red Edge, RE): Bitki sayımı, su yönetimi ve bitki sağlığı değerlendirmeleri için kullanılmaktadır.
4. Termal kızılötesi (Thermal Infra-Red) dalga boyu: Sulama yönetiminde, bitki fizyolojisinin analizinde ve verim tahminlerinde kullanılmaktadır.

İHA’ların girdi uygulamasında kullanımı

Pestisitler bitki koruma amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Püskürtme yöntemleri, kimyasal mücadelenin etkinliğini belirleyen en önemli faktörlerden biridir. Bitki koruma ürünlerinin uygulanmasında kullanılan geleneksel makinalar ile kıyaslandığında insansız hava araçlarının kullanılması birçok fayda sağlamaktadır.  Bu faydalar İHA ile pestisitlerin uygulanmasının daha az su kullanımı (250-1500 litre kullanmak yerine 10-20 litre/da), tarla trafiğinden kaynaklanan toprak sıkışmasını en aza indirme, traktör ve pülverizatör nedeniyle azalan verim kaybı (%5 – 15 toplam verim), toprak rutubetinden bağımsız ilaçlama, ekim anında toprak nemindeki değişimi en aza indirmeye izin veren erken yabani ot yönetimi, zararlı ve hastalık gelişim frekansı ile ilaçlama frekansının tam olarak eşleşmesi (sulama işlemi nedeniyle operasyonun zamanlaması başarı, başarısızlık veya daha fazla kimyasal kullanıma yol açar) ve pestisit maliyetinin optimize edilmesi, traktör-tarla pulverizatörünün vektör etkilerini ve neden olduğu hastalıkların yayılmasını ve yayılmasını ortadan kaldırma, hızlı ve etkili uygulama, traktör ve pülverizatörün amortismanını ve yakıt tüketiminin önüne geçme, operasyon sırasında operatörün kimyasal ile temasının en aza indirilmesi, konvansiyonel ilaçlama uygulamalarında sık görülen bir sorun olan bitki dokusundan toprak yüzeyine su+kimyasal sızıntısını giderme olarak özetlenebilir.

Pestisit uygulanmasında kullanılan insansız hava araçlarının hareketli kanatlı yapıda olduğu görülmektedir. Tek ya da çoklu rotora sahip bu platformların taşıdıkları faydalı yük pestisit+su karşımını uygulama sırasında içinde barındıran farklı hacimlerdeki (10-16-20-30-40 litre) plastik bir depodan ile bu karışımı damlalara ayıran bir pulverizasyon sisteminden oluşmaktadır. Kullanılan pulverizasyon sistemleri temel iki prensibe dayanmaktadır. İlki geleneksel makinalarda olduğu gibi depodan alınan akışkanın bir pompa yardımıyla basınç kazandırılması ve orifis plakalarından atmosfere bırakıldığı anda parçalanmasına dayanmaktadır. Diğeri ise depodan alınan akışkanın yine bir pompa yardımıyla döner diskli nozzlelara iletilmesi ve merkez kaç kuvveti etkisiyle damlalara ayrılması ilkesine dayanmaktadır.

İlaçlama etkinliği ve başarısı birçok değişken tarafından belirlenmektedir. Etkinliği belirlemede kullanılan başlıca ölçütler sürüklenme, buharlaşma, bitki üzerindeki kaplama oranı ve pestisitin bitki tarafından alınımıdır. Söz konusu değişkenler aracın mekanik ve aero dinamik yapısına, pulverizasyon sistemine, iklim koşullarına, seçilen uçuş parametrelerine (damla çapı, uçuş hızı ve yükseliği) kullanılan kimyasallara (pestisit ve adjuvant) ve operatörün bilgi birikimi ve deneyimine bağlıdır.

Tarımda hızla yer alan insansız hava araçlarının yetkin ve yetkili uzmanlarca doğru kullanımı geleneksel uygulamalardan kaynaklanan ilgili sorunların üstesinden gelinmesini sağlayacağı açıktır.

Sentrifujal nozzle

Farklı hızlarda parçacık boyutuna bağlı olarak tipik damlacık yörüngeleri