Uprawa większej ilości sałaty na mniejszej przestrzeni lub Uprawa sałaty w kosmosie (mniej więcej): 10 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Jest to profesjonalne zgłoszenie do konkursu Growing Beyond Earth, Maker Contest, przesłane za pośrednictwem Instructables.

Nie mogłem być bardziej podekscytowany projektowaniem pod kątem produkcji roślin kosmicznych i publikowaniem mojego pierwszego Instructable.

Na początek konkurs poprosił nas o…

„…prześlij szczegółowe instrukcje dotyczące projektu i budowy komory wzrostu roślin, która (1) mieści się w objętości 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) zawiera wszystkie funkcje niezbędne do podtrzymania wzrostu roślin, tj. sztuczne światło, system nawadniania, i środków cyrkulacji powietrza oraz (3) skutecznie i pomysłowo wykorzystuje przestrzeń wewnętrzną, aby zmieścić i skutecznie wyhodować jak najwięcej roślin”.

Po zapoznaniu się z wymaganiami konkursowymi i FAQ, w procesie projektowania poczyniłem następujące założenia.

Zaplanowana raz w tygodniu interakcja Astronauty z „projektem” byłaby akceptowalna i nie unieważniała aspektu automatycznej kontroli w kryteriach konkursu.

Zasilacz dla „projektu” może być umieszczony poza 50cm3, ponieważ ISS zasilałby jednostkę, gdyby jednostka znajdowała się w kosmosie. Chłodzenie diod LED wewnątrz „projektu” może pochodzić poza 50cm3, ponieważ ISS może dostarczać chłodzenie do jednostki, jeśli jednostka znajdowała się w przestrzeni.

„Użytkownik” może mieć nieograniczony dostęp do góry i 4 boków objętości 50cm3 w celu planowanej cotygodniowej konserwacji, ale nie wyklucza nieplanowanych problemów, jeśli pojawi się nieplanowany problem z „projektem”.

Następnie zebrałem parametry do konkursu

Dane projektu

Woda: 100 ml/roślinę/dzień (sugerowane)

Oświetlenie: 300-400 µmol/M2/s w zakresie PAR 400-700nm (sugerowane)

Cykl światła: 12/12

Rodzaj światła: LED (sugerowane)

Cyrkulacja powietrza: dla 2,35cf/0,0665m3 (obszar wzrostu mojego projektu)

Temperatura na ISS: 65 do 80˚F / 18,3 do 26,7°C (dla odniesienia)

Rodzaj rośliny: „Outredgeous” czerwona sałata rzymska

Rozmiar dojrzałej rośliny: 15 cm wysokości i 15 cm średnicy

Rozwijaj system: (wybór projektanta)

Kieszonkowe dzieci

Będziemy potrzebować zapasów

(Te części są używane do weryfikacji koncepcji, prawdopodobnie NIE są zatwierdzone do podróży kosmicznych)

1 – 0,187” 48”x96” Biały ABS

3 – Mikrokontrolery

1 – 1602 wyświetlacz LCD

1 – Osłona rejestratora danych dla Nano

3 – Fotorezystory

4 – czujniki AM2302

1 – czujnik temperatury DS18B20

1 – czujnik EC, 1 – 15mA 5V optyczny poziom cieczy

1 – DS3231 dla Pi (RTC)

…i więcej materiałów eksploatacyjnych

1 – Perystaltyczna pompa dozująca

1 – pompa wodna 12V

1 – Brzęczyki piezo

Rezystory 3 – 220 Ohm

1 – przełącznik DPST

1 – 265-275nm sterylizator UVC

24 – 1½” zatyczki sanitarne

1 – Etap mieszania magnetycznego ciecz/powietrze

1 – Głowica kroplówki, 8 linii

1 – Rurki do nawadniania kroplowego

1 – Wymienny zbiornik na wodę

1 – rura PVC o średnicy wewnętrznej ½

70 – Śruby do mocowania diod LED

Przewód 18 AWG i 22 AWG

1 – Rurki termokurczliwe

1 – Aluminium do radiatora LED

Przełączniki dotykowe o wysokości 5 – 6 mm

Rezystory 4 – 1 Ohm, 1 Wat

1 – Pkg nasion sałaty „Outredgeous”

…i więcej

1 – płyta doładowania 400 W

32 – 3W białe diody LED, (6000-6500k)

Zasilacz 1 – 24V / 12V / 5V / 3,3V

Wentylatory komputerowe 8 – 40mm

11 – 5V Optoizolowane przekaźniki

10 – 1N4007 dioda flyback

24 – Zatyczki z wełny mineralnej

1 – Odżywki hydroponiczne

1 – Pojemnik na składniki odżywcze

1 – Folia mylarowa

…i narzędzia

Rozpuszczalnik do klejenia

Piła

Otwornice

Lutownica

Lutować

Wiertarka

Wiertła

Wkrętaki

Komputer

Kabel USB

Oprogramowanie Arduino IDE

Krok 1: Porównanie obecnego systemu „VEGGIE”

System „VEGGIE” na ISS może wyhodować 6 główek sałaty w 28 dni (4 tygodnie). Gdyby „VEGGIE” działał przez 6 miesięcy (średni czas przebywania astronauty na pokładzie ISS), wyhodowałby 36 głów sałaty z dodatkowymi 6 główkami, które miałyby dwa tygodnie. Dla trzyosobowej załogi to świeże warzywa dwa razy w miesiącu.

Projekt GARTH wyhoduje 6 główek sałaty w 28 dni (4 tygodnie). ALE… gdyby działał przez 6 miesięcy, wyhodowałby 138 główek sałaty, z dodatkowymi 18 główkami w różnych stadiach wzrostu. Dla trzyosobowej załogi to świeże warzywa 7½ razy w miesiącu lub prawie dwa razy w tygodniu.

Jeśli to przykuwa twoją uwagę… przyjrzyjmy się bliżej projektowi

Krok 2: Projekt GARTH

Technologia zasobów automatyzacji wzrostu dla ogrodnictwa

(Zdjęcia projektu GARTH są pełnowymiarową makietą, wykonaną z piankowej płyty rdzenia Dollar Store)

Projekt GARTH maksymalizuje produktywność dzięki wykorzystaniu 4 oddzielnych zoptymalizowanych obszarów wzrostu. Obejmuje również automatyczne systemy sterowania oświetleniem, jakością powietrza, jakością wody i wymianą wody.

32, białe światła LED 6000K zapewniają sugerowane wymagania PAR. W celu utrzymania środowiska wewnętrznego zastosowano system cyrkulacji powietrza z dwoma wentylatorami i system czterech otworów wentylacyjnych, a do zasilania i monitorowania roślin wybrano zautomatyzowany, samooptymalizujący się system hydroponiczny z cienką warstwą składników odżywczych (NTF). Woda zastępująca parowanie jest utrzymywana w oddzielnym zbiorniku w górnym obszarze magazynowania, w pobliżu stale mieszanego zbiornika płynnych składników odżywczych, niezbędnych do utrzymania poziomu składników odżywczych w systemie hydroponicznym bez pomocy astronauty. Cała energia wchodzi, działa i jest rozprowadzana z górnego obszaru magazynowego.

Krok 3: Cechy konstrukcyjne

Cztery obszary wzrostu

I etap (kiełkowanie), dla 0-1 tygodniowych nasion ok. 750 cm3 przestrzeni wzrostu

II etap, dla 1-2 tygodniowych roślin, ok. 3600 cm3 przestrzeni wzrostu

III etap, dla 2-3 tygodniowych roślin ok. 11 000 cm3 przestrzeni wzrostu

IV etap, dla 3-4 tygodniowych roślin, ok. 45 000 cm3 przestrzeni wzrostu

(Obszary pierwszego i drugiego etapu są połączone na wyjmowanej tacy, aby ułatwić sadzenie, serwis i czyszczenie)

Krok 4: System oświetlenia

Oświetlenie było trudne bez dostępu do miernika PAR, na szczęście konkurs miał pana Dewitta z Fairchild Tropical Botanic Garden, aby zadać pytania. Skierował mnie do wykresów, które były bardzo pomocne, a te wykresy doprowadziły mnie również do led.linear1. Dzięki wykresom i stronie internetowej mogłem obliczyć moje potrzeby w zakresie oświetlenia i obwodów.

Mój projekt wykorzystuje 26,4 V napięcia źródłowego do uruchomienia 4 tablic 8, 3 watowych diod LED połączonych szeregowo z rezystorami 1 ohm, 1 wat. Użyję zasilacza 24V i konwertera Boost, aby podnieść stały prąd do 26,4V. (Na pokładzie ISS mój projekt wykorzystywałby 27 V, który jest dostępny, i konwerter Buck, aby obniżyć napięcie i zapewnić stały prąd 26,4 V)

To jest lista części do systemu oświetleniowego.

32, biała 6000-6500k, 600mA, DC 3V–3,4V, 3W diody LED

4, 1 ohm – rezystory 1W

1, 12A 400 W konwerter doładowania

Wentylator 1, 40mm

1, termistor

1, DS3231 dla Pi (RTC) lub rejestratora danych

Przewód 18 AWG

…i tak planuję wykorzystać te trzydzieści dwie diody o mocy 3W.

Jedna dioda LED na Etapie 1, cztery na Etapie 2 i dziewięć na Etapie 3. Ostatnie osiemnaście diod LED oświetli Etap 4 i zapewni nam oszałamiającą sumę 96 watów światła przy około 2,4 amperach.

Krok 5: System cyrkulacji powietrza i wentylacji

(Proszę pamiętać, że instalacja wodno-kanalizacyjna i elektryczna nie jest kompletna. Są to zdjęcia makiety proponowanego systemu)

Cyrkulację zapewniają dwa wentylatory 40mm. Wentylator pchający, który wieje do czwartego stopnia z kanału w lewym górnym rogu. Powietrze będzie przepływać przez 4 stopień do przodu 3 stopnia, następnie przez 3 stopień i na zewnątrz z tyłu (w górę i wokół 1 stopnia przez krótki kanał) do tyłu 2 stopnia. Wentylator wyciągowy w kanale nad drugim stopniem przeciągnie powietrze przez drugi stopień i wydostanie się przez prawy przedni górny róg. Ukończenie podróży przez system cyrkulacji powietrza.

Wentylacja czwartego stopnia będzie znajdować się bezpośrednio za górną tylną ścianą. Trzecia scena również będzie wentylowana przez górną tylną ścianę. Drugi etap będzie wentylowany bezpośrednio przez górę, a etap kiełkowania (etap 1) będzie wentylowany przez tylną ścianę, podobnie jak etapy 3 i 4.

Krok 6: System hydroponiczny NFT

(Sonda EC, sonda temperatury, czujnik poziomu cieczy, węże do wymiany parowania ze zbiornika świeżej wody oraz węże łączące pompę miski z kanałami, wszystkie będą się tu znajdowały w misce ale nie były pokazane na tym zdjęciu)

System obejmuje zbiornik wodny o pojemności 9000+ml/cm3, zbiornik świeżej wody o objętości 7000+ml//cm3 do wymiany przez odparowanie, pompę wody 12 V 800 l/godz., sterylizator UV-C do zabijania wszelkich glonów w wodzie wpływającej do 8-portowy regulowany kolektor przepływu, wieża napowietrzająca z przeciwbieżnym wentylatorem przepływowym do napowietrzania wody płynącej w dół z etapu 2 i wody odlotowej etapu mieszania, czujnik poziomu cieczy, czujnik EC, czujnik temperatury wody, pompa perystaltyczna dozująca ze zbiornika nawozu, etap mieszania, który utrzymuje składniki odżywcze w roztworze w zbiorniku i pięciu korytach lub kanałach wzrostu. Pięć kanałów wzrostu, etap mieszania, wieża napowietrzająca odbiera wodę z 8-portowego regulowanego kolektora przepływu. Gdy system hydroponiczny wymaga serwisowania, dwubiegunowy wyłącznik jednokierunkowy (DPST) znajdujący się na przednim panelu spowoduje odcięcie zasilania do pompy wodnej, sterylizatora UV-C i dozownika składników odżywczych z pompą perystaltyczną. Umożliwi to „Użytkownikowi” bezpieczną pracę w systemie hydroponicznym bez narażania siebie lub uprawy.

Krok 7: Automatyczny system dostarczania składników odżywczych

Do tego projektu używam „Self Optimizing Automated Arduino Nutrient Doser” opracowanego przez Michaela Ratcliffe'a. Dostosowałem jego szkic do mojego systemu i sprzętu, a jako czujnika EC wykorzystuję „Three Dollar EC – PPM Meter” Michaela.

Informacje lub instrukcje do obu tych projektów można znaleźć na: element14, hackaday lub michaelratcliffe

Krok 8: Elektronika systemów automatyki

System oświetleniowy będzie korzystał z mikrokontrolera Arduino, jednego DS3231 dla Pi (RTC), jednego modułu 4 przekaźników, czterech rezystorów 1 ohm – 1 W, trzydziestu dwóch białych diod LED 3 W, jednego konwertera Boost 400 W, trzech fotorezystorów, jednego komputera 40 mm wentylator i jeden termistor. Mikrokontroler użyje zegara czasu rzeczywistego do czasu świecenia w cyklu 12-godzinnym włączania i 12-godzinnego wyłączania. Będzie monitorować poziomy światła na drugim, trzecim i czwartym etapie za pomocą fotorezystorów i alarmuje za pomocą alarmu LED/piezoelektrycznego, jeśli wykryje niski poziom światła na dowolnym etapie, podczas cyklu świateł. Temperatura płytki sterownika LED będzie monitorowana przez termistor podłączony liniowo do wentylatora 40 mm i automatycznie rozpocznie chłodzenie po wykryciu wystarczającej ilości ciepła.

System dostarczania składników odżywczych został opracowany przez Michaela Ratcliffe'a. System wykorzystuje Arduino Mega, jeden z pomysłów na sondę Michaela EC, jedną osłonę wyświetlacza LCD 1602, jeden czujnik temperatury wody DS18B20, jedną perystaltyczną pompę dozującą 12 V i jeden izolowany przekaźnik 5 V. Dodałem jeden optyczny czujnik poziomu cieczy. System będzie monitorować EC i temperaturę wody oraz aktywować pompę perystaltyczną w celu dozowania składników odżywczych w razie potrzeby. Mikrokontroler będzie monitorował poziom wody w studzience i ostrzegał alarmem LED/piezoelektrycznym, jeśli temperatura wody w studzience przekracza zakres ustawiony przez użytkownika, jeśli dane czujnika EC są poza zakresem ustawionym przez użytkownika dłużej niż ustawiony przez użytkownika okres czasu lub jeśli poziom wody w studzience spadnie poniżej poziomu ustawionego przez użytkownika.

System cyrkulacji powietrza będzie się składał z mikrokontrolera Arduino, czterech czujników AM2302, sześciu wentylatorów komputerowych 40 mm (dwa wentylatory cyrkulacji powietrza dla drugiego, trzeciego i czwartego stopnia oraz 4 wentylatory wentylacyjne), jednego sterylizatora UV-C oraz sześciu przekaźników optoizolowanych 5V (dla fanów). Sterownik będzie monitorował temperaturę i wilgotność powietrza we wszystkich 4 etapach i automatycznie uruchamiał system cyrkulacji dwóch wentylatorów lub wentylatory poszczególnych stopni, aby utrzymać temperaturę i wilgotność w ustalonych przez użytkownika zakresach. Sterownik będzie również ustawiać i kontrolować czas sterylizatora UV-C i utrzymywać alarm LED/piezoelektryczny w przypadku, gdy temperatura lub wilgotność przekroczą poziomy ustawione przez użytkownika w dowolnym z 4 etapów.

Krok 9: Kompilacja

Obudowa 50 cm3, kanały, zbiornik zastępczy wyparowania wody słodkiej, wieża napowietrzająca, centralny kanał cyrkulacji powietrza, szuflada pierwszego i drugiego stopnia, wsporniki dachowe (nie pokazane) i większość innych konstrukcji nośnych będą zbudowane od 0,187” Czarny ABS. Przednie zasłony na sceny są pokazane w folii Mylar na makiecie, ale najprawdopodobniej byłyby wykonane z odblaskowego akrylu lub poliwęglanu na rzeczywistym prototypie. Oświetlenie (nie pokazane, ale składające się z 4 tablic po 8 diod LED o mocy 3 W połączonych szeregowo) zostanie zamontowane na około 0,125" aluminiowej folii z miedzianymi rurkami 0,125" przylutowanymi od góry w celu chłodzenia cieczą (to chłodzenie będzie wchodziło i wychodziło z tyłu urządzenia, aby oddzielić chłodnicę niezwiązaną z zawodami) Podłączenie wody NTF do etapu 1 i 2 (nie jest pokazane na żadnym ze zdjęć, ale) zostanie podłączone za pomocą szybkozłącza z przodu drugiego etapu.

Konwerter doładowania (pokazany na zdjęciu górnego obszaru przechowywania) może zostać przeniesiony pod tacę do kiełkowania (etap 1), aby zapewnić dodatkowe ciepło do kiełkowania. Czujniki temperatury i wilgotności AM2302 (nie pokazane) zostaną umieszczone wysoko na każdym etapie (poza regularnie planowaną ścieżką cyrkulacji powietrza)

Projekt może w ogóle nie myśleć o przestrzeni,

ale tak nie jest. Mój opisany tutaj system NTF nie jest zoptymalizowany ani zmodyfikowany pod kątem kosmosu, ale systemy hydroponiczne NTF są poważnymi pretendentami do unikalnych potrzeb upraw kosmicznych w mikrograwitacji i mam pomysły na jego optymalizację przestrzeni.

W konkursie zwrócono się do nas o zaprojektowanie systemu, który wyhoduje więcej roślin w określonej przestrzeni i maksymalnie zautomatyzuje projektowanie.

Projekty wybrane do fazy 2 będą musiały najpierw wyhodować rośliny na ziemi. Wierzę, że mój projekt spełnia wszystkie wymagania konkursu i robi to z poszanowaniem prawdziwej przestrzeni potrzebnej do wzrostu roślin, cyrkulacji powietrza, zautomatyzowanej kontroli środowiska i tygodniowej wartości materiałów eksploatacyjnych dla roślin. Wszystko na przestrzeni 50 cm3, którą otrzymaliśmy.

Krok 10: Podsumowanie

Automatyzacja projektu GARTH ogranicza potrzebną uwagę do raz w tygodniu.

Siedmiokrotny spadek konserwacji w porównaniu z systemem „VEGGIE”.

W ramach projektu GARTH powstało sześć zakładów tygodniowo.

Czterokrotny wzrost produkcji w porównaniu z sześcioma zakładami uruchamianymi miesięcznie w systemie „VEGGIE”.

Uważam te zmiany za Skuteczne, Pomysłowe i Wydajne.

Mam nadzieję, że ty też.

Drugie miejsce w konkursie Growing Beyond Earth Maker