NASA Research запускает новое поколение вертикального земледелия
Интерьер камеры для производства биомассы в Центре Кеннеди воспроизводил закрытую среду выращивания, которую астронавты будут использовать в космосе или на других планетах для выращивания свежих культур. Будучи первой вертикальной фермой с контролируемой средой в США, она помогла NASA предоставить важные данные для индустрии земледелия в закрытых помещениях. Ученые NASA Билл Нотт (слева) и Том Дрешель изучают рост сельскохозяйственных культур.
Фото: NASA
По прогнозам ООН, к 2050 году Земля должна будет накормить еще 2,3 миллиарда человек, в основном сосредоточенных в городских центрах вдали от сельскохозяйственных угодий. Обычное сельское хозяйство, возможно, не сможет удовлетворить этот спрос, но, к счастью, NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США) десятилетиями работает над производством продуктов питания как на Земле, так и в космосе. Питание космонавтов во время длительного исследования космоса означает использование ресурсов для выращивания растений в космосе, включая минимизацию использования воды и энергии, а также отсутствие почвы.
NASA впервые применило эти методы на Земле, построив первую в стране вертикальную ферму. Внутри выведенной из эксплуатации гипобарической камеры, оставшейся после испытаний космической капсулы «Меркурий», технологи сложили у стен ряды гидропонных лотков, как книжные полки. Затем были добавлены системы освещения, вентиляции и оборотного водоснабжения из готовых запчастей. На уложенные друг на друга лотки были посажены различные культуры, чтобы проверить, насколько хорошо они будут расти в воде без солнечного света или открытого воздуха.
Этот инновационный подход к сельскому хозяйству создал основу для отрасли сельского хозяйства с контролируемой средой (CEA).
CEA сочетает в себе науку о растениях и контроль окружающей среды для оптимизации роста растений и максимальной эффективности, часто используя вертикальные структуры роста. Технология позволяет фильтровать загрязняющие вещества из воды для сельскохозяйственных культур и обеспечивает точный баланс питательных веществ. Искусственное освещение обеспечивает только необходимые длины волн в нужное время, по интенсивности и продолжительности, в то время как средства контроля окружающей среды поддерживают идеальную температуру и влажность.
Такой подход может помочь накормить растущие будущие поколения, отмечает Нейт Стори, главный научный сотрудник Plenty Unlimited, одной из нескольких компаний, опирающихся на исследования NASA в области роста растений.
Переосмысление данных фермы
Один из способов, которым Plenty Unlimited поддерживает здоровье растений — это использование робототехники почти на каждом этапе сельскохозяйственного процесса. Запатентованная технология выращивания Spicy Mizuna Mix компании, показанная здесь, основана на данных для оптимизации условий выращивания. Среда выращивания имитирует среду замкнутого цикла, разработанную NASA в камере для производства биомассы, которая демонстрирует, как выращивать растения без солнечного света или открытого воздуха.
Фото: Plenty Unlimited Inc.
Plenty использует менее 1% воды, используемой при традиционном сельском хозяйстве, а ферма компании площадью два акра (0,81 га) дает урожай, аналогичный урожайности открытой фермы площадью 720 акров (291,4 га).
В настоящее время мировой рынок вертикального земледелия оценивается в 2,9 млрд долл. США. По некоторым оценкам, к 2025 году рынок вертикального земледелия может достичь 7,3 млрд долл.
«Вся индустрия построена на исследованиях NASA», — говорит Нейт Стори. С самого начала NASA исследовало биорегенеративные системы жизнеобеспечения, в которых растения перерабатывают отходы, производят пищу и кислород и устраняют углекислый газ. Программа закрытой экологической системы жизнеобеспечения была инициирована Отделом естественных наук Космического центра Кеннеди NASA во Флориде, финансирующим университетские исследования для определения лучших растений и их идеальных условий для роста, и агентство построило камеры для выращивания, чтобы расширить эти результаты.
«Выращивание сельскохозяйственных культур — это многофункциональный подход к жизнеобеспечению, — сказал Рэй Уиллер, физиолог растений Космического центра Кеннеди NASA. — Но нам нужно было ответить на вопрос, можете ли вы сделать это в закрытой среде, как в космосе?».
Уиллер провел несколько экспериментов по выращиванию в камере для производства биомассы, построенной в 1980-х годах. Он сказал, что годы экспериментов привели к получению «огромного количества данных», и все они были обнародованы.
На основе этой работы Plenty перенял тип «техники питательной пленки», которую впервые разработало агентство. Эта беспочвенная гидропонная система обеспечивает постоянную циркуляцию минимальной пленки воды вокруг саженцев, содержащей все необходимые питательные вещества.
Такой подход позволяет выращивать более свежие, здоровые и ароматные растения. По словам Нейта Стори, единообразие освещения наряду с управляемым данными контролем над всеми другими переменными, связанными с растительным сообществом, делает темпы роста и производительность предсказуемыми. Сбор молодых растений, когда они более нежные и ароматные, означает, что продукция будет вкуснее, чем растения, которым позволяют полностью созреть. А поскольку время от фермы до стола значительно короче, растения сохраняют свежесть и питательную ценность, которые обычно теряются при транспортировке на дальние расстояния.
Контролируя каждый элемент окружающей среды, Plenty может избежать использования вредных химикатов, таких как пестициды и гербициды, которые также влияют на здоровье растений.
Исследования и разработки в области выращивания растений
Green Sense использует светодиодные лампы на своих вертикальных фермах, регулируя сочетание красного и синего света для каждого вида растений. Лейн Паттерсон, главный инженер, изучает успешное выращивание итальянского базилика. Паттерсон приобрел ценный опыт в вертикальном земледелии, когда работал на Южнополярной станции, управляя камерой для выращивания в помещении, которая частично финансировалась NASA.
Фото: Green Sense Farms Holding Inc.
Разным растениям требуется разный баланс воды, питательных веществ, света, воздушного потока и многого другого. NASA изучило и задокументировало идеальные условия для десятков видов, и теперь компания Green Sense Farm Holdings использует это исследование на Земле.
Компания предоставляет контрактные услуги в области НИОКР для оптимизации роста растений на своей вертикальной ферме с климат-контролем, которая использует программное обеспечение для оптимизации условий и сбора данных о росте растений.
Роберт Коланджело, президент Green Sense, сказал, что одним из примеров является проверка соотношения красного и синего света в светодиодных лампах, их интенсивности и продолжительности свечения. Этот подход, основанный на исследованиях NASA, означает использование только тех длин волн света, которые необходимы растению, что снижает потребление электроэнергии.
Bowery Farming строит городские вертикальные фермы на основе модели NASA, основанной на данных, встроенных в существующие структуры, такие как пустующие склады, и распределяет продукцию на местном уровне в рестораны и продуктовые магазины. «Компания постоянно следит за посевами и условиями для поддержания идеальной окружающей среды»,— сказал Генри Штуль, главный научный сотрудник.
Система Bowery использует искусственный интеллект для анализа данных об урожае и управления циклами роста. Подобно тому, как человек может научиться распознавать ожоги кончиков листьев салата, компьютер можно научить тому же распознаванию. По словам Штуля, с помощью тысяч фотографий компьютеры учатся определять проблемы и автоматически настраивать части системы.
Специальный картофель
CSS Farms использует тип гидропонной системы выращивания, называемой методом питательной пленки, разработанным NASA для выращивания растений картофеля, арахиса и других корнеплодов. Теплицы компании представляют собой другой вид сельского хозяйства с контролируемой средой, в котором свежий воздух и солнечный свет поддерживают процесс выращивания, но данные и технологии по-прежнему играют важную роль.
Фото: CSS Farms LLC.
Вертикальные фермы — не единственные предприятия CEA, которые извлекают выгоду из исследований NASA. Фермеры, выращивающие картофель, теперь используют технику питательной пленки в теплицах. По словам Уиллера, агентство впервые применило этот метод для корнеплодов, таких как картофель, сладкий картофель и арахис, и это доказало рекордные урожаи картофеля.
CSS Farms использует эту технику для выращивания семенного картофеля, называемого миниклубнями, в теплицах. В отличие от растений, выращиваемых из семян, картофель выращивают либо из разрезанного картофеля, либо из миниклубней. Их можно перевозить и высаживать на полях, где из них вырастают растения, которые дают крупный картофель для потребления.
Методы выращивания в почве обычно дают пять или шесть миниклубней с растения. «Мы будем собирать урожай два или три раза в неделю в течение 12-недельного периода сбора урожая трех культур в год. В системе питательной пленки вы можете получить от 30 до 50 миниклубней с одного растения», — сказал Мэтт Барроу, менеджер теплицы CSS Farms.
Поскольку NASA продолжает совершенствовать системы жизнеобеспечения в рамках подготовки к полетам на Луну и Марс, они будут поддерживать дальнейший рост индустрии CEA.
NASA имеет долгую историю передачи технологий частному сектору. Публикация агентства Spinoff описывает технологии NASA, которые превратились в коммерческие продукты и услуги, демонстрируя более широкие выгоды от инвестиций США в ее космическую программу. Spinoff— это публикация программы передачи технологий Управления космических технологий НАСА (STMD). Для получения дополнительной информации о том, как NASA внедряет космические технологии на Землю, посетите http://www.spinoff.nasa.gov/
Автор Margo Pierce