Выращивание большего количества салата в меньшем пространстве или Выращивание салата в космосе (больше или меньше): 10 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Это профессиональная работа на конкурс Growing Beyond Earth, Maker, отправленная через Instructables.

Я очень взволнован тем, что занимаюсь разработкой для выращивания космических культур и публикую свой первый учебник.

Для начала конкурс попросил нас

«… Отправьте Инструкцию с подробным описанием конструкции и конструкции вашей камеры для выращивания растений, которая (1) вписывается в объем 50 см x 50 см x 50 см, (2) содержит все функции, необходимые для поддержания роста растений, например, искусственный свет, систему орошения, и средства циркуляции воздуха, и (3) эффективно и изобретательно использует внутренний объем, чтобы вместить и успешно вырастить как можно больше растений ».

Прочитав требования конкурса и ответы на часто задаваемые вопросы, я сделал следующие предположения в процессе проектирования.

Раз в неделю запланированное взаимодействие с «проектом» со стороны астронавта будет приемлемым и не приведет к аннулированию аспекта автоматического управления в критериях конкурса.

Блок питания для «проекта» может быть размещен за пределами 50 см3, поскольку МКС будет обеспечивать питание блока, если блок находится в космосе. Охлаждение светодиодов внутри «проекта» может происходить за пределами 50 см3, поскольку ISS может подавать охлаждение на устройство, если оно находится в космосе.

«Пользователь» может иметь неограниченный доступ к верхней и 4 сторонам объема 50 см3 для планового еженедельного обслуживания, но не исключает незапланированные проблемы, если возникнут незапланированные проблемы с «проектом».

Далее я собрал параметры конкурса

Данные проекта

Вода: 100 мл / растение / день (рекомендуется).

Освещение: 300-400 мкмоль / м2 / с в пределах PAR 400-700 нм (рекомендуется)

Световой цикл: 12/12

Тип света: светодиод (рекомендуется)

Циркуляция воздуха: для 2,35 куб. Футов / 0,0665 м3 (зона роста моего дизайна)

Температура на ISS: от 65 до 80˚F / от 18,3 до 26,7 ° C (для справки)

Тип растения: салат «Outredgeous» красный ромэн

Размер зрелого растения: 15 см в высоту и 15 см в диаметре.

Система выращивания: (Выбор дизайнера)

Запасы

Нам понадобятся припасы

(Эти детали используются для подтверждения концепции, они, вероятно, НЕ одобрены для космических полетов)

1 - 0,187”48” x96”Белый ABS

3 - Микроконтроллеры

1-1602 ЖК-дисплей

1 - Экран регистратора данных для Nano

3 - Фоторезисторы

4 - Датчики AM2302

1 - датчик температуры DS18B20

1 - датчик ЕС, Оптический уровень жидкости 1-15 мА, 5 В

1 - DS3231 для Pi (RTC)

… И другие материалы

1 - Перистальтический дозирующий насос

1 - водяной насос 12 В

1 - Пьезозуммеры

3 - резисторы 220 Ом

1 - переключатель DPST

1 - Стерилизатор UVC 265-275 нм

24 - гигиенические колпачки 1½ дюйма

1 - Ступень магнитного перемешивания жидкость / воздух

1 - Головка контроля капель, 8 строк

1 - Трубка капельного орошения

1 - Запасной контейнер для воды

1 - труба ПВХ с внутренним диаметром ½

70 - Винты для крепления светодиодов

Провод 18 AWG и 22 AWG

1 - Термоусадочная трубка

1 - Алюминий для светодиодного радиатора

Тактильные переключатели высотой 5-6 мм

4 - резисторы 1 Ом, 1 Вт

1 - Упаковка семян салата «Outredgeous»

…и более

1 - плата повышения мощности 400 Вт

32 - белые светодиоды мощностью 3Вт, (6000-6500к)

1-24 В / 12 В / 5 В / 3,3 В БП

8-40-мм компьютерные вентиляторы

11 - 5В оптоизолированные реле

10 - обратный диод 1N4007

24 - Заглушки Rockwool

1 - Гидропонные питательные вещества

1 - Контейнер для питательных веществ

1 - Майларовая пленка

… И инструменты

Растворитель для склеивания

Пила

Кольцевые пилы

Паяльник

Припой

Дрель

Сверла

Отвертки

Компьютер

USB-кабель

Программное обеспечение Arduino IDE

Шаг 1: Сравнение текущей системы «VEGGIE»

Система «VEGGIE» на ISS позволяет вырастить 6 кочанов салата за 28 дней (4 недели). Если «VEGGIE» проработает 6 месяцев (среднее время нахождения астронавта на борту МКС), он вырастит 36 кочанов салата с дополнительными 6 кочанами двухнедельного возраста. Для экипажа из 3 человек это свежие овощи два раза в месяц.

В рамках проекта GARTH вырастет 6 кочан салата за 28 дней (4 недели). НО … если бы он работал в течение 6 месяцев, он бы вырастил 138 кочан салата, а еще 18 кочан находились бы на разных стадиях роста. Для экипажа из 3 человек это свежие овощи 7,5 раз в месяц или почти два раза в неделю.

Если это привлекает ваше внимание … давайте подробнее рассмотрим дизайн

Шаг 2: Проект GARTH

Ресурсные технологии автоматизации роста для садоводства

(Фотографии проекта GARTH представляют собой полномасштабный макет, сделанный из пенопласта Dollar Store)

Проект GARTH увеличивает производительность за счет использования 4 отдельных оптимизированных зон роста. Он также включает в себя автоматические системы управления освещением, качеством воздуха, качеством воды и заменой воды.

32, белые светодиодные фонари 6000K соответствуют рекомендуемым требованиям PAR. Система циркуляции воздуха с двумя вентиляторами и система с четырьмя вентиляторами были включены для поддержания внутренней среды, а для кормления и наблюдения за растениями была выбрана автоматизированная, самооптимизирующаяся гидропонная система с питательной тонкой пленкой (NTF). Вода для замены испарения хранится в отдельном резервуаре в верхней зоне хранения рядом с резервуаром с постоянно перемешиваемым жидким питательным веществом, необходимым для поддержания уровня питательного вещества в гидропонной системе без помощи космонавта. Вся энергия поступает, работает и распределяется из верхнего хранилища.

Шаг 3: особенности конструкции

Четыре области роста

1-я стадия (прорастание), для семян возрастом от 0 до 1 недели, примерно 750 см3 пространства для роста

2-я стадия, для 1-2-недельных растений, примерно 3, 600 см3 пространства для роста

3-я стадия, для растений в возрасте 2-3 недель, около 11000 см3 пространства для роста.

4-я стадия, для растений в возрасте 3-4 недель, около 45 000 см3 пространства для роста.

(Зоны 1-й и 2-й ступеней объединены на съемном поддоне для облегчения посадки, обслуживания и очистки)

Шаг 4: система освещения

Освещение было трудным без доступа к PAR-метру, к счастью, на конкурсе присутствовал мистер Девитт в тропическом ботаническом саду Fairchild, к которому он мог обратиться с вопросами. Он направил меня к диаграммам, которые были очень полезны, и эти диаграммы также привели меня к led.linear1. С помощью диаграмм и веб-сайта я смог рассчитать свои потребности в освещении и схемах.

Моя конструкция использует напряжение источника 26,4 В для запуска 4 массивов светодиодов по 8, 3 Вт, последовательно с резисторами 1 Ом, 1 Вт. Я буду использовать источник питания 24 В и повышающий преобразователь, чтобы повысить постоянный ток до 26,4 В. (На борту МКС в моей конструкции использовались бы доступные 27 В и понижающий преобразователь для понижения напряжения и обеспечения постоянного тока 26,4 В).

Это список деталей для системы освещения.

32, белые светодиоды 6000-6500k, 600 мА, 3–3,4 В постоянного тока, 3 Вт

Резисторы 4,1 Ом - 1Вт

1, 12 А, 400 Вт Повышающий преобразователь

1, 40-мм вентилятор

1, термистор

1, DS3231 для Pi (RTC) или регистратора данных

Провод 18 AWG

… И вот как я планирую использовать эти тридцать два светодиода мощностью 3 Вт.

Один светодиод на этапе 1, четыре на этапе 2 и девять на этапе 3. Последние восемнадцать светодиодов будут освещать этап 4 и доведут нас до колоссальной общей мощности 96 Вт при примерно 2,4 ампера.

Шаг 5: Система циркуляции и вентиляции воздуха

(Помните, что водопровод и электрическая разводка не завершены. Это фотографии макета предлагаемой системы)

Циркуляция достигается двумя 40-мм вентиляторами. Толкающий вентилятор, который дует в 4-ю ступень из воздуховода в верхнем левом тылу. Воздух будет проходить через 4-ю ступень и попадает в переднюю часть 3-й ступени, затем через 3-ю ступень и выходит через заднюю часть (вверх и вокруг 1-й ступени через короткий воздуховод) в заднюю часть 2-й ступени. Вытяжной вентилятор в воздуховоде над 2-й ступенью будет втягивать воздух через 2-ю ступень в правый передний верхний угол. Завершение путешествия по системе циркуляции воздуха.

Вентиляция 4-й ступени будет выходить прямо через верхнюю заднюю стенку. 3-я ступень также будет вентилироваться через верхнюю заднюю стенку. Вторая стадия будет вентилироваться прямо через верх, а стадия прорастания (стадия 1) будет вентилироваться через заднюю стенку, аналогично стадиям 3 и 4.

Шаг 6: гидропонная система NFT

(Датчик EC, датчик температуры, датчик уровня жидкости, шланги для замены испарения из резервуара пресной воды и шланги, соединяющие насос отстойника с каналами, все они будут расположены здесь, в отстойнике, но не показаны на этой фотографии)

Система включает отстойник емкостью 9 000+ мл / куб. См, резервуар для пресной воды объемом 7 000+ мл / куб. 8-ми портовый регулируемый коллектор потока, аэрационная колонна с вентилятором противотока для аэрации нисходящей воды из ступени 2 и отработанной воды ступени перемешивания, датчик уровня жидкости, датчик EC, датчик температуры воды, перистальтический насос, дозирующий из резервуара для питательных веществ, этап перемешивания, который удерживает питательные вещества в растворе в резервуаре и пяти желобах или каналах для выращивания. Пять каналов роста, ступень перемешивания, башня аэрации получают воду из 8-ми портового регулируемого коллектора потока. Когда гидропонная система нуждается в обслуживании, двухполюсный односторонний выключатель (DPST), расположенный на передней панели, отключает питание. к водяному насосу, стерилизатору УФ-С и перистальтическому насосу дозатора питательных веществ. Это позволит «пользователю» безопасно работать с гидропонной системой, не подвергая опасности себя или урожай.

Шаг 7: Автоматическая система доставки питательных веществ

Я использую «Самооптимизирующийся автоматический дозатор питательных веществ Arduino», разработанный Майклом Рэтклиффом для этого проекта. Я адаптировал его эскиз к своей системе и оборудованию, и я использую «Трехдолларовый EC - PPM Meter» Майкла в качестве датчика EC.

Информацию или инструкции для обоих этих проектов можно найти по адресу: element14, hackaday или michaelratcliffe.

Шаг 8: Электроника систем автоматизации

Система освещения будет использовать микроконтроллер Arduino, один DS3231 для Pi (RTC), один 4-релейный модуль, четыре резистора 1 Ом - 1 Вт, тридцать два белых светодиода мощностью 3 Вт, один повышающий преобразователь 400 Вт, три фоторезистора, один компьютер 40 мм. вентилятор и один термистор. Микроконтроллер будет использовать часы реального времени для измерения времени включения света в 12-часовом цикле и 12-часовом отключении. Он будет контролировать уровни освещенности на 2-й, 3-й и 4-й ступенях с помощью фоторезисторов и предупреждать с помощью светодиодной / пьезоэлектрической сигнализации, если обнаруживает низкий уровень освещенности на любой ступени во время цикла включения света. Температура платы драйвера светодиода будет контролироваться термистором, подключенным к 40-миллиметровому вентилятору, и автоматически начнет охлаждение при обнаружении достаточного количества тепла.

Система доставки питательных веществ была разработана Майклом Рэтклиффом. В системе используется Arduino Mega, одна из идей Майкла в отношении датчиков EC, один экран с ЖК-клавиатурой 1602, один датчик температуры воды DS18B20, один перистальтический дозирующий насос на 12 В и одно оптоизолированное реле на 5 В. Я добавил один оптический датчик уровня жидкости. Система будет контролировать ЕС и температуру воды и активировать перистальтический насос для дозирования питательных веществ по мере необходимости. Микроконтроллер будет контролировать уровень воды в отстойнике и предупреждать с помощью светодиодного / пьезоэлектрического сигнала тревоги, если температура воды в отстойнике выходит за пределы установленного пользователем диапазона, если данные датчика EC выходят за пределы установленного пользователем диапазона дольше, чем установлено пользователем. период времени или если уровень воды в поддоне опускается ниже установленного пользователем уровня.

Система циркуляции воздуха будет состоять из микроконтроллера Arduino, четырех датчиков AM2302, шести 40-миллиметровых компьютерных вентиляторов (два вентилятора циркуляции воздуха для 2-й, 3-й и 4-й ступеней и 4 вентиляционных вентиляторов), одного стерилизатора UV-C и шести оптоизолированных реле 5 В (для болельщиков). Контроллер будет контролировать температуру и влажность воздуха на всех 4 ступенях и автоматически запускает систему циркуляции с двумя вентиляторами или отдельные ступенчатые вентиляторы по мере необходимости, чтобы поддерживать температуру и влажность в пределах установленных пользователем диапазонов. Контроллер также устанавливает и контролирует синхронизацию УФ-стерилизатора и поддерживает светодиодную / пьезоэлектрическую сигнализацию в случае, если температура или влажность выходят за пределы установленных пользователем уровней на любом из 4 этапов.

Шаг 9: Сборка

Корпус объемом 50 см3, каналы, запасной резервуар для испарения пресной воды, башня аэрации, канал центральной циркуляции воздуха, выдвижные ящики 1-й и 2-й ступеней, распорки крыши (не показаны) и большая часть других несущих конструкций будут построены с 0,187 дюйма. Черный АБС. Передние шторы для сцен показаны на макете из майларовой пленки, но на самом прототипе, скорее всего, будут сделаны из световозвращающего акрила или поликарбоната с покрытием. Освещение (не показано, но состоящее из 4 массивов по 8 светодиодов мощностью 3 Вт, соединенных последовательно) будет установлено на алюминиевом листе приблизительно 0,125 дюйма с медными трубками 0,125 дюйма, припаянными на верхней стороне для жидкостного охлаждения (это охлаждение будет входить и выходить с задней стороны. устройства для отделения холодильника, не относящегося к соревнованиям.) Водопровод NTF для этапов 1 и 2 (не показан ни на одной из фотографий, но) будет подключен через быстрое соединение в передней части 2-го этапа.

Повышающий преобразователь (показан на фотографии верхней зоны хранения) можно переместить под лоток для проращивания (этап 1), чтобы обеспечить дополнительное тепло для прорастания. AM2302, датчики температуры и влажности (не показаны), будут расположены высоко на каждой ступени (вне регулярно запланированного пути циркуляции воздуха).

Может показаться, что дизайн вообще не думает о пространстве,

Но это не тот случай. Моя описанная здесь система NTF не оптимизирована и не модифицирована для использования в космосе, но гидропонные системы NTF являются серьезными претендентами на удовлетворение уникальных потребностей космических культур в условиях микрогравитации, и у меня есть идеи по ее оптимизации.

На конкурсе нас попросили разработать систему, которая позволила бы выращивать больше растений в определенном пространстве и максимально автоматизировать дизайн.

В проектах, выбранных для фазы 2, сначала нужно будет вырастить растения на земле. Я считаю, что мой дизайн удовлетворяет всем требованиям конкурса и делает это, соблюдая при этом истинное пространство, необходимое для роста растений, циркуляции воздуха, автоматизированного контроля окружающей среды и расходных материалов для растений на несколько недель. Все в пределах предоставленного нам пространства 50 см3.

Шаг 10: подвести итоги

Автоматизация проекта GARTH сокращает необходимое внимание до одного раза в неделю.

Снижение затрат на обслуживание в семь раз по сравнению с системой "VEGGIE".

В проекте GARTH еженедельно запускались шесть заводов.

Четырехкратное увеличение производства по сравнению с шестью заводами, запускаемыми в месяц в системе «VEGGIE».

Считаю эти изменения действенными, изобретательными и действенными.

Я надеюсь, ты тоже будешь.

Финалист конкурса Growing Beyond Earth Maker