2xvIRY-bkM8

Самая совершенная фигура это шар, у него есть центр, от которого равноудаленное множество точек создающих поверхность шара. Если данную форму рассматривать как конструктивное воплощение оранжереи (теплицы), то в центре источник света, а на поверхности шара находятся растения, размещенные на одинаковом расстоянии от цента. Без сомнения это самая энергосберегающая конструкция оранжереи (теплицы), т.к. ни один фотон от источника света не уйдет от растения. Идея создания компактной и потребляющей небольшое количество энергии оранжерей, пришла из космических разработок и теперь очень успешно внедряется в нашу жизнь. В Институте медико-биологических проблем совместно с ОАО «НИИхиммаш», АОЗТ «КБ Химавтоматика», НИИ Импульсной техники и рядом других организаций, спроектированы и изготовлены прототипы космических конвейерных салатных оранжерей (КСО): «Фитоцикл», «Фитоцикл СД», «Фитоконвейер», «Витацикл-Т» и другие. Практически все известные в настоящее время конструкции космических оранжерей создавались не для обеспечения пищевого рациона космонавтов, а для проведения научных опытов с растениями в замкнутой контролируемой среде обитания в условиях невесомости. Для таких систем необходимо было выполнить ряд требований: масса оборудования, занимаемый объем, мощность энергопотребления, водопотребление, трудозатраты на обслуживание, выделяемые оранжереей потоки тепла, влаги и отходы и т.д. Как показали эксперименты по выращиванию растений при отсутствии силы тяжести побеги стеблевых растений в посеве ориентируются вдоль нормалей светового поля к посадочной поверхности за счет фототропических реакций (растение всегда ориентировано на источник света).

1

Эффективность работы космической оранжерей определяется техническими характеристиками источника света в условиях жесткого ограничения по энергопотреблению. Интенсивные исследования и разработки по применению светоизлучающих диодов (СД) высокой интенсивности в светокультуре растений ведутся с начала 1990-х годов. Основные преимущества этих светодиодов в следующем: повышенная безопасность вследствие отсутствия деталей из стекла и узлов; относительно малые объем и масса; высокий ресурс работы при незначительной деградации; большая светоотдача и высокая световая эффективность; возможность плавной регулировки яркости и т.д. В свою очередь биологическая продуктивность посевов определяется интенсивностью процессов фотосинтеза и дыхания растений. К основным факторам, влияющих на растение относятся световой режим, характеристика светового поля и техническое совершенство применяемого оборудования. Важным условием оптимизации технологии культивирования растений при искусственном освещении является выбор источников света. Доказано, что некоторые растения могут нормально расти и развиваться при освещении их светоизлучающими диодами, генерирующими монохроматическое оптическое излучение. Бесспорное преимущество светодиодов для светокультуры растений перед другими искусственными источниками света в следующем:

  • Создание светильниками плотности потока фотонов (ППФ) на поверхности посева до 1000 мкмоль/(м2.с).
  • Высокую надежность (срок службы до 100000 час).
  • Высокую устойчивость к механическим воздействиям и изменениям температуры.
  • Высокую световую отдачу (свыше 30 лм/Вт).
  • Отсутствие инфракрасной составляющей в спектре излучения.

3

Если не вдаваться в подробности самого процесса разработки космических оранжерей необходимо выделить некоторые специфические особенности:

  • В связи с тем, что применяются светодиоды создается необходимость в автоматических системах регулирования (АСР) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Преимуществами систем с ШИМ являются: возможность повышения помехозащищенности, надежности, точности регулирования, в ряде случаев простота реализации и специфика технических устройств, применяемых в АСР.
  • Разработанные алгоритмы для автоматических систем регулирования (АСР) могут обеспечить оптимальное импульсное регулирование движения объекта, когда объект проходит через ряд технологических операций. Стабилизация скорости вращения установки с целью обеспечения необходимого качества производимой растительной продукции.
  • Специфика среды обитания растений в условиях космического полёта (условия невесомости), заставляют разрабатывать специальные методы подачи воды, кислорода и нутриентов к корням растений методы автоматического контроля параметров корнеобитаемой среды в корневых модулях космических оранжерей. Все эти технологии отличаются от традиционных в наземных условиях.

5

Все что касается биологического объекта (растения) в ходе экспериментов по культивированию в космической исследовательской оранжерее показано, что онтогенетическое развитие растений не зависит от условий космического полета. Морфологические и биометрические показатели высших растений в условиях космоса не отличаются от растений наземных контрольных экспериментов. Условия космического полета не оказывают влияния на такие важнейшие функции высших растений, как развитие генеративных органов, оплодотворение, формирование зародыша и запасающих веществ семени. Семена высших растений, сформированные в отсутствии гравитационного фактора, являются биологически полноценными, а растения, полученные из этих семян, не отличаются от обычных «земных» растений. Впервые в условиях космического полета проведено измерение фотосинтеза и транспирации растений при использовании открытой по газообмену системы. Интенсивность основных обменных процессов посева растений в условиях космического полета остается на том же уровне, что и в наземных условиях.

6

Одним из важнейших критериев совершенства конструкции космической оранжереи и эффективности технологии выращивания растений является максимальная удельная производительность съедобной биомассы на потребляемые оранжереей ресурсы. В настоящее время в рамках Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на российском сегменте МКС (версия 2008 г.) ведутся работы по конструированию конвейерной оранжереи «Витацикл-Т» с цилиндрической посадочной поверхностью для выращивания самораздвигающихся посевов. В перспективных сценариях освоения планет предлагается создание оранжерей для воспроизводства растительной части пищевого рациона, в которых также целесообразно использовать самораздвигающиеся посевы. Одним из методов моделирования невесомости для растений в КО с выпуклыми посадочными поверхностями в наземных условиях является непрерывное вращение вегетационной камеры вокруг горизонтальной оси со скоростью, при которой растения не успевают изгибаться под воздействием гравитропического стимула.

9

На основании результатов теоретических и экспериментальных работ в области изучения замкнутых экологических систем сложилось общепринятое мнение о включении в состав штатных систем жизнеобеспечения экипажей обитаемых гермообъектов (космические станции, подводные лодки, глубоководные гипербарические комплексы и другие). Анализ ситуации с созданием штатных оранжерей для получения витаминной продукции из-за финансовых, энергетических и пространственных ограничений, а также из-за отсутствия к настоящему времени исчерпывающих данных по физиологии растений и технологии культивирования установка космических оранжерей такого класса на МКС не представляется возможным в ближайшие годы. Проектируемый модуль Veggie – возможно в будущем так будет выглядеть плантация растений на космической станции. Аппаратный комплекс Veggie разработан компанией Orbital Technologies Corp. (ORBITEC) и тестировался в Космическом центре им. Кеннеди. Модуль доставил на МКС корабль SpaceX в апреле 2014 года вместе с двумя наборами «подушечек» с семенами циннии и салата сорта Romaine. Модуль оснащен плоской панелью подсветки растений со светодиодами красного, синего и слабого зеленого цвета для стимулирования роста и наблюдений. Зеленый добавили, чтобы растения выглядели съедобно.

10

Специалисты компании Volksgarden разработали новую систему гидропоники под названием Omega Garden «сад-карусель». Она представляет собой цилиндрический корпус, который состоит из 36 модулей. Блок вращается вокруг источника света (Leds-светильников) наподобие карусели. Движение происходит постоянно и с небольшой скоростью. В нижней точке круга корни растений проходят через питательный раствор. В блоках можно выращивать до 80 растений. По словам разработчиков, лучше всего в таком «огороде» себя чувствуют салаты, мангольды (овощное, лекарственное и декоративное растение), бобовые, а также некоторые сорта цветов. Хорошо плодоносят тут овощные и ягодные культуры: перец, помидоры, огурцы, баклажаны, клубника. Кроме этого, под воздействием постоянного вращения у овощей и зелени эффективно вырабатывается гормон ауксин и флавоноиды. В результате растения растут более крупными, быстрее и обильно плодоносят. Такая конструкция влияет и на вкус плодов.

13

Российские космонавты планируют снова выращивать растения на МКС. Специально оборудованная оранжерея для культивирования растений в условиях невесомости будет отправлена в космос уже в конце 2016 — начале 2017 года. Международная космическая станция и система производства овощей, названная Вег-01, или «Veggie». Veggie представляет собой длинную в 46 см капсулу, светящуюся как инопланетная фиолетовая медуза. Внутри шесть пучков салата Outredgeous разновидность красного сорта Ромэн.

15

В рамках программы Google Lunar X Prize, корпорация Paragon Space Development разрабатывает проект герметичной мини-оранжереи, которая позволит вырастить на поверхности Луны первые растения. Специальная мини-оранжерея содержит все необходимые для роста растений вещества и предоставляет защиту растениям от космической радиации, интенсивного солнечного света и прочих негативных факторов окружающей среды. В этой оранжерее содержится достаточное количество специально сбалансированного грунта, воды и двуокиси углерода для того что бы обеспечить нормальный рост и цветение растений. Для первых испытаний было выбрано растение Brassica из семейства горчичных растений. Такой выбор был мотивирован способностью этого растения к быстрому росту и обширности знаний людей об этом виде растений. Растению, для того что бы вырасти, зацвести и принести плоды, достаточно всего 14 солнечных дней. Лунные сутки как раз и составляют срок в 14 земных суток, таким образом, если высадка растений произойдет вовремя и успешно, этого срока должно вполне хватить для жизненного цикла растения.

35

Специалисты космического центра Кеннеди и университета Флориды разработали проект оранжереи для Марса под названием «Зелёный дом». Исследователи NASA отрабатывают оригинальную конструкцию оранжереи для Марса, в которой растениям предстоит жить в весьма непростых условиях. Учёные уверены, что смогут «натренировать» своих зелёных подопечных, и, если нужно, вмешаться в их метаболизм. Под этой прозрачной полусферой находятся растения. В центре сооружения расположен цилиндр, скрывающий механизмы, поддерживающие определённые параметры среды обитания. Главная изюминка проекта — под куполом очень низкое давление. Растения не обладают какой-либо эволюционной адаптацией к сверхнизкому давлению, и потому они даже неверно интерпретируют биохимические сигналы, возникающие в таких условиях. При низком давлении влага с поверхности листьев испаряется очень быстро. Но вот удивительно, повышенный «оборот» воды через себя растение воспринимало, как сигнал засухи, и активировало гены, отвечающие за адаптацию к сухой среде. А ведь даже влажность воздуха в оранжерее исследователи доводили едва не до 100%.

37

Вращающаяся гидропонная система или Rotary Hydroponic System. Ярким примером того как космические технологии внедряются в нашу жизнь является вращающаяся гидропонная система — Rotary Hydroponic System «зеленое колесо» разработанная NASA с использованием дизайна Миланской дизайн-студии DesignLibero. Вращающаяся гидропонная установка устроена следующим образом: на подставке, являющейся резервуаром для питательного раствора, установлено колесо. Колесо приводится в действие посредством мотора. По мере вращения колеса корни растений опускаются в питательный раствор, а встроенная помпа следит за уровнем раствора. Стаканчики с растениями помещают во внутреннюю часть колеса, в которой предусмотрены специальные отверстия для них. Стаканчики наполняются субстратом в виде кокосового волокна. Полностью автоматизированная гидропонная установка. При этом благодаря уникальной форме изобретения небольшой источник света освещает довольно большую площадь посадок, что помогает снизить потребление электричества и делает устройство экологичным. Колесо может управляться при помощи смартфона или планшета. Можно установить уровень освещенности, температуру и следить за уровнем воды. Это позволяет выращивать практически любой вид овощей.

17

Украинская компания «АЛАНА-ЭКО» в процессе разработки и производства установки «АДАМ» использовала в технологических узлах оборудование и изделия компаний, а именно: Mitsubishi Electric (Japan), Camozzi (Italy), Tongdy Control Technology Co., Ltd (China), Shenzhen VANQ Technology Co. Ltd (China),  Vdoh Nova (Ukraine), Gavita Holland BV (Holland), Lenze Americas Corporation (USA), ROVER POMPE snc di Chiarello Enzo & C. (Italy), TRANSTECNO s.r.l.(Italy), Blickle Räder + Rollen GmbH u. Co.KG (Germany). В процессе выращивания растений используются ведущих компаний в данной отрасли: семенной материал — Rijk Zwaan Belgium nv (Belgium), минеральные удобрения — Yara International ASA (Norway), субстрат из минеральной ваты — Grodan (ROCKWOOL B.V.) (The Netherlands). Использование вышеперечисленных современных технических решений и качественных продуктов позволило разработать на базе установки «АДАМ» следующее поколение автоматизированных установок «ЕВА».

22

23

Питание растений методом гидропоники. Процесс осуществляется путем плавного погружения кассет с минераловатными матами в питательный раствор, который из резервуара поступает в поддон при помощи насоса и после кормления откачивается обратно. Форма дна поддона повторяет траекторию движения кассет, что позволяет использовать небольшие объёмы раствора. Данные решения позволяют использовать ровно столько раствора, сколько впитывает в себя субстрат, что в целом уменьшает количество необходимого раствора в сравнении с традиционной гидропоникой. Количество подаваемого раствора, его температура, уровень рН, EC, а также длительность процесса питания контролируются с помощью соответствующих датчиков, согласно заданным параметрам программы управления. Подача питательного раствора и его обратный слив в резервуар осуществляется с помощью одного реверсивного насоса с одним поворотным реверсивным клапаном, используя при этом всего один трубопровод. Таким образом, данная система позволяет в два раза сократить количество традиционно используемого в тепличных хозяйствах с гидропонным методом выращивания технологического оборудования и соответствующего строительного материала.

Контролируемая подача углекислого газа СО2  в зону выращивания. Контроль содержания углекислого газа осуществляется с помощью выносного датчика СО2  управляемого клапана подачи СО2  с заданной постоянной величиной, в зависимости от выращиваемой культуры и текущего режима блока управления.

«Искусственная гравитация» (орбитропизм). Вращение барабана вокруг своей оси приводит к тому, что растения, находящиеся в кассетах, испытывают постоянно изменяющееся направление силы тяжести. Это приводит к блокировке рецепторов растения, задающих длительность фазы сна и бодрствования в зависимости от текущей гравитации и положения в пространстве самого растения, вследствие чего рост растений заметно увеличивается. Подержание заданной влажности и температуры путем использования тумана. Выработка тумана производится автоматически, используя ультразвуковую технологию его получения.

Конструкция автоматизированных установок «АДАМ» и «ЕВА» представляет собой установленный на раме 2 барабан 1, который приводится во вращение при помощи роликов 6. На барабане установлены кассеты 3, в которых закреплены минераловатные маты. Вращаясь, барабан окунает кассеты в поддон 7, в котором находится питательный раствор. Необходимое освещение для растений поступает от HPS ламп, установленных в светильнике 4. Весь процесс контролируется блоком управления на базе ПЛК ALPHA 2, работающего под управлением специально разработанного уникального ПО «ADAM_RZ»

26

Освещение. Вдоль оси барабана закреплен светильник, в котором установлены две HPS лампы. Они расположены в соединенных между собой култубах (цилиндрические плафоны из кварцевого стекла). Мощность каждой лампы составляет 400…600 Вт, которая регулируется при помощи электронных балластов. Применяемые натриевые лампы вырабатывают максимальный световой спектр. Максимальный световой поток (PPF) каждой лампы составляет 1100 µMol/sec или 90000 люмен. За счет вращения растения вокруг лампы обеспечивается полное и планомерное освещения всех его участков. Так же имеется возможность дополнительной установки светодиодных панелей различной мощности и разными вариантами спектра, включая такой спектр как ультрафиолетовый типа UVA и UVB. Автоматизированная система управления на базе промышленного контроллера ALPHA 2 производства компании MITSUBISHI ELECTRIC осуществляет контроль работы двигателя (скорость вращения). А также управление освещением, подготовкой питательного раствора с поддержанием заданного уровня рН, ЕС, контроль его температуры и подачи в поддон, контроль температуры и влажности внутри установки, управление подачей углекислого газа, on-line видеорегистрацию процесса роста растений.

Встраиваемый в пульт управления модуль GSM связи обеспечивает связь оператора с контроллером. Управление можно осуществлять как c персонального компьютера, так и при помощи мобильного телефона путем отправки командных SMS сообщений. Изменение программного обеспечения контроллера не требует непосредственного подключения компьютера к контроллеру. Даже полное изменение программы  можно осуществить при помощи GSM модема, что позволяет в кратчайшие сроки вносить изменения в систему управления установки.

Обзор гидропонных установок пришедших к нам от использования космических технологий.

 

5249

 

56 59

6362