California bruker Blockchain og IoT for å administrere grunnvannsbruk

California har et vannproblem.

Staten er et landbrukskraftverk, produserer over en tredjedel av USAs grønnsaker og genererer over 50 milliarder dollar i løpet av et år, men dens enorme og varierte produksjon krever en tilsvarende kolossal mengde vann.

I flere tiår har bønder og bedrifter pumpet grunnvann ut av Californias akviferer, de permeable steinlagene som holder vann under jorden, og resultatene har vært skremmende. Ettersom akviferer drenerer raskere enn regn kan fylle på dem, synker bakken faktisk, et fenomen som kalles "innsynkning". I områder der bygninger og veier hviler på bakken kan dette forårsake skade.

"California er enormt for amerikansk landbruk," sa Alex Johnson, Freshwater Fund Director for The Freshwater Trust, til Digital Trends. "Men det er sterkt grunnvannsavhengig, og det er noen bassenger i den sentrale dalen som har blitt så utarmet over siste par tiårene at de er 20 fot lavere i høyden fordi disse akviferene har blitt drenert og all bakken er oppgjør."

Når akviferene synker, utgjør de ikke bare en risiko for infrastrukturen på bakken. Stein og jord kollapser sammen, og fjerner plassen der vann en gang kunne samle seg. Dette kan være katastrofalt, som ifølge California Department of Water Resources, i gjennomsnittlig år utgjør grunnvann 38 prosent av statens vannforsyning; i tørre år kan dette tallet hoppe over 46 prosent.

Hvis California skal forhindre ytterligere uttømming av akviferer og overleve tørker som den som rammet det fra 2011 til 2017, vil staten måtte styre grunnvannsforbruket. I den sentrale dalen jobber en gruppe organisasjoner med et prosjekt som kan stoppe strømmen ved å kombinere to teknologier: tingenes internett (IoT) og Blockchain.

Et prosjekt født i menneskehetens vugge

Den første store utfordringen var å finne ut hvordan man kan overvåke grunnvannsnivåer over hele staten. Heldigvis er dette et problem som folk i andre regioner på kloden har slitt med i årevis, og allerede har utviklet løsninger for.

"Vi gjør dette først og fremst i Øst-Afrika i dag," sier Evan Thomas, administrerende direktør i SweetSense, et selskap som bruker satellittkoblede sensorer for å overvåke landlige vannforsyninger. "Det er faktisk 30 prosent mindre nedbør over Øst-Afrika de siste årene hvert år i 30 år," forklarer han, "så tørke er i utgangspunktet hvert år nå, i stedet for hvert tiende eller 20. år, og konsekvensene av tørke er virkelig alvorlig. 250 000 mennesker døde i 2011 på grunn av tørken i Etiopia og Kenya, og nesten ti millioner mennesker ble rammet.»

I Kenya samarbeidet SweetSense med IBM Research, og med støtte fra United States Agency for International Development (USAID) bygde de en system for å bruke IoT-sensorer for å "overvåke bruk og etterspørsel av grunnvann, korrelere det med tilgjengeligheten av nedbørsoverflatevann, og deretter også, de fleste viktigere, bruk disse dataene til å identifisere når en vannpumpe svikter, slik at vi kan gå ut og få det fikset og sørge for at folk har tilgang til vann året rundt."

Bruken av IoT er spennende: Her er en teknologi mange forbinder først med kjøkkenmaskiner og Alexa høyttalere, som brukes til å redde liv fra tørke. IoT, tingenes internett, refererer stort sett til maskinenes evne til å kommunisere med hverandre.

Se for deg den moderne, teknologiske leiligheten: Du har kanskje en smarthushub som, når klokken slår 07.00, forteller smarten din høyttaler for å spille av en alarm, kaffemaskinen for å begynne å brygge en kjele, TV-en for å slå på og endre kanal til morgenen nyheter. Hvis temperaturen ute er under en viss terskel, skruer den smarte termostaten opp varmen. Selv om du kanskje har programmert disse instruksjonene i utgangspunktet, kan maskinene "snakke" med hverandre og utføre instruksjoner uten at et menneske mikroadministrerer dem.

Viktigere, enheter kan kommunisere med hverandre uten å synkronisere med det bredere internett, og dette er avgjørende for SweetSenses arbeid i Afrika.

"Grunnen til at det er IoT er at vi er helt utenfor nettet," forklarer Thomas. "Det er ingen mobiltjeneste, det er ingen strøm, det er ingen tilkoblinger, så vi har en selvstendig, solcelledrevet sensor som er festet til disse pumpene som kan overvåke vannforsyningen og koble den over satellitt nettverk."

Sensorene kan passe i en persons håndflate, og drives av et "2-watts solcellepanel som er på størrelse med en liten pocketbok."

En delt ressurs krever delt informasjon

Å kunne måle grunnvannsbruk nøyaktig er et avgjørende skritt, men det er ikke nok å bare ha nøyaktige instrumenter. Grunnvann er en unik og komplisert ressurs å forvalte. Det hele ligger under jorden, ute av syne, og på grunn av hvor avgjørende det er for en rekke bransjer, vil alle ha en slurk ved fontenen.

"Jeg tror det er en iboende vanskelighet i vannforvaltning og naturressursforvaltning der det er vanskelig å spore hvem som gjør hva og holde styr på det over tid," sier Johnson. "Det er ikke mye tillit mellom brukere, spesielt mellom brukere og myndighetene eller lokale forvaltningsbyråer til andre enheter som ønsker den samme ressursen."

Bruk av grunnvann er et utmerket eksempel på dette allmenningens tragedie, ideen som presenterte med en delt ressurs, vil enkeltpersoner bestemme seg for å maksimere sin egen bruk av det, til tross for at hvis alle gjør det, kan det tømme ressursen og undergang gruppe.

Forvaltning av en delt ressurs som vann, en som folk føler seg naturlig berettiget til, krever ikke bare at gruppen overlever avhenger av at alle rasjonerer bruken. Det krever tillit. Hvert individ ønsker å vite at alle andre spiller etter de samme reglene.

"Vann er en delt ressurs," sier Nathan Wangusi, teknisk leder for vann ved IBM Research Africa, "som betyr at hvis vi utvinner fra samme akvifer må vi ha betingelser om hvor mye vi trekker ut, hvilken hastighet vi trekker ut med … så ideen om konsensus er veldig viktig."

En markedsbasert tilnærming

Wangusi og teamet hans jobber i Kenya, i en region han beskriver som «tynt befolket» og «stort sett pastoral … sterkt avhengig av grunnvann." Det er også en region der det er vanskelig å distribuere mange teknologiske løsninger. Wangusi og teamet hans bestemte seg for å fokusere på hvordan man kan tjene penger på vannrettigheter.

"Du tenker på en hvilken som helst annen naturressurs, som mineraler, land, tilgang til evnen til å forurense," forklarer Wangusi, "du får de rettigheter gjennom en tillatelse … hvis du har en karbonkreditt, får du en viss tillatelse til å legge en viss mengde karbon i miljø."

På samme måte, hvis du eier land, kan du dyrke avlinger og ha rett til å selge disse avlingene. Hvis du eier en gruve, kan du utvinne mineraler fra den og selge dem. Grunnvann er imidlertid vanskeligere.

"Det som er annerledes med vannrettigheter, mer enn andre naturressursrettigheter, er at du ikke kan konvertere vannrettigheter direkte... til et kommersielt instrument."

Wangusi og teamet hans slo seg på ideen om grunnvannskreditter. En kreditt gir eieren rett til å trekke ut en bestemt mengde vann fra bakken, og hvis eieren ikke ønsker det benytter seg av den retten selv, kan de «konvertere dem til kommersielle instrumenter som du kan handle i en åpen marked."

Markeder handler imidlertid om tillit. De involverte må stole på at produktet de kjøper – i dette tilfellet retten til å utvinne grunnvann – er gyldig, og de må stole på at ingen andre spiller systemet. Hvorfor skulle en bonde begrense seg til bare vannet de har råd til å kjøpe tillatelse for hvis de mistenker at naboen deres pumper vann med hensynsløs oppgivelse? Alle må ha tilgang til den informasjonen, og vite at informasjonen er pålitelig.

Et system som alle kan stole på

"Teknologien som er designet for å støtte konsensus og demokratisert tilgang til informasjon," sier Wangusi, "er per definisjon Blockchain, fordi du har denne ideen om en hovedbok som er uforanderlig, og så har du ideen om en smart kontrakt som kan flytte transaksjoner innenfor den blokkjeden Nettverk."

Blockchain er teknologien som ligger til grunn for kryptovalutaer som Bitcoin, men det har mye potensiale for andre applikasjoner. Enkelt sagt er en blokkjede en desentralisert hovedbok som deles mellom alle som ønsker tilgang til den.

Når et hvilket som helst antall parter foretar en transaksjon eller annen avtale (f.eks. registrerer en "smart kontrakt") på Blockchain, verifiserer de andre partene på nettverket det og sikrer sin plass i posten. Informasjonen er tilgjengelig for alle brukere, og ingen kan endre den i ettertid, fordi dataene må stemme overens med kopiene alle andre har.

SweetSense sine sensorer kan nøyaktig spore mengden grunnvann som trekkes opp fra en hvilken som helst pumpe i system, og formidle denne informasjonen til IBMs Blockchain via satellitter, slik at dataene flyter selv i fjerntliggende områder områder. På Blockchain kan brukere kjøpe og selge vannkredittene sine, til og med registrere smarte kontrakter for å automatisk kjøpe eller selge når prisen er riktig, og alle kan se hvilke pumper som er funksjonelle eller ikke, hvor vann pumpes, og så på.

Fra Kenya til California

Systemet, utviklet i Afrika, er en velsignelse for pastoralsamfunnene som er avhengige av grunnvann der. For Freshwater Trust så det også ut til å ha mye potensial for California. Selv om folk kanskje ikke umiddelbart kobler Kenya og California i tankene deres, er begge regioner avhengige av landbruk, og begge er avhengige av grunnvann.

Thomas hadde jobbet med Freshwater Trust tidligere, og de så en sjanse til å samarbeide.

"Fordi TFT prøvde å finne ut hvordan man kan hjelpe bønder med å faktisk overvåke vann og hvordan man kan hjelpe bønder med å overholde grunnvannets bærekraft Handle," sier Thomas, "og viktigst av alt, hvordan man kan hjelpe dem på en måte som letter smerten ved nye reguleringer og skaper markedsinsentiver for deltar.»

Skaperne av prosjektet var begeistret over utsiktene til det de kaller "omvendt teknologi transfer," av et system utviklet i utviklingsland som kommer for å hjelpe California, hjertet av teknologiske verden.

"Det er lett, tror jeg, i amerikansk kultur å føle at vi er best," sier Johnson. "Fordi vi har blitt fortalt det, eller vi har fortalt oss selv det mye. Det er mange steder hvor innovasjon skjer, og jeg tror teknologiens hastighet har demokratisert hvor noen av de virkelig interessante teknologiske fremskrittene kommer fra.»

Gitt Californias sentrale rolle i teknologiindustrien, er det litt ironi der, den store eksportøren av innovasjon som trekker på teknologi fra et fjerntliggende land.

"California er ganske teknisk i en veldig spesifikk forstand," sier Johnson, "og det er vanligvis ikke rundt landbruk. Så jeg tror det sannsynligvis er mange områder der utviklingsland har lære og har innovasjoner som kan lære den utviklede verden det.»

Det dette IoT/Blockchain-systemet tilbyr er en måte å regulere grunnvannsbruken på som er gjennomsiktig og ubestikkelig, noe som er nyttig gitt at bønder, enten det er i Kenya eller California, kan være på vakt mot regjeringen mandater.

"Hvis vi kan lage et system som er troverdig, er det uforanderlig, og viser at ressursen totalt sett, måned etter måned, år etter år, blir forvaltes bærekraftig, men gir brukerne personvernet og sikkerheten de trenger for å faktisk bruke det systemet, sier Johnson, "nå er vi snakker."

"Lovgivningen kommer til å tvinge etterspørselen etter disse nye typene systemer," legger han til, og så organisasjoner som Freshwater Trust prøver "å finne ut av ting før alle er tilbake mot veggen …"

Jorden tørker ut

Menneskehetens rygg er kanskje ikke presset mot veggen ennå, men vi kan føle den truende.

"Vi har ikke vann tilgjengelig året rundt, egentlig noe sted i verden, og det begynner å bli en krise," sier Thomas. «Tørke forverrer dette problemet, etterspørselen forverrer dette problemet, og vi må sørge for at vann er tilgjengelig der det må være og når det må være. Og vi kommer ikke til å kunne gjøre det på den gamle måten, legger han til. "Vi skal ikke bare bygge nye demninger igjen, eller stjele alt vannet ut av fjellene. Vi må kunne håndtere vannet der det er.»

Tørke skader ikke bare landbruket. En fersk uttalelse fra USDA Forest Service stater som 18 millioner trær har dødd i California siden 2017, noe som bringer de totale døde siden 2010 til 149 millioner. Disse skallene strekker seg over millioner av hektar, et hav av opptenning som venter på en gnist. Californias langvarige tørke har falt sammen med en økning i skogbranner, inkludert leirbrannen i 2018, den dødeligste skogbrannen i Californias historie.

Det kommer til å kreve robust offentlig politikk og teknologisk innovasjon for å avverge katastrofe, og California utnytter begge deler.

"Vi som mennesker har tilgang til nesten gudelignende teknologi akkurat nå," sier Johnson. "La oss ha en følelse av at det haster og prøve ting og bruke noen av disse teknologiene der de er mest nødvendig."

Redaktørenes anbefalinger

• Glem tingenes internett. Her er hva IoT virkelig står for