زراعة المزيد من الخس في مساحة أقل أو زراعة الخس في الفضاء ، (أكثر أو أقل): 10 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

هذا تقديم احترافي إلى Growing Beyond Earth ، مسابقة Maker ، تم إرساله من خلال Instructables.

لم أستطع أن أكون أكثر حماسًا لأنني أصمم لإنتاج المحاصيل الفضائية ونشر أول Instructable.

في البداية طلبت منا المسابقة

"… أرسل Instructable يفصل تصميم وبناء غرفة نمو النبات الخاصة بك والتي (1) تناسب حجم 50 سم × 50 سم × 50 سم ، (2) تحتوي على جميع الميزات اللازمة للحفاظ على نمو النبات ، مثل الإضاءة الاصطناعية ، ونظام الري ، ووسائل تدوير الهواء ، و (3) الاستخدام الفعال والمبتكر للحجم الداخلي من أجل ملاءمة أكبر عدد ممكن من النباتات وتنميته بنجاح."

بعد قراءة متطلبات المسابقة والأسئلة الشائعة ، وضعت الافتراضات التالية في عملية التصميم.

بمجرد التفاعل المخطط أسبوعياً مع "المشروع" من قبل رائد فضاء سيكون مقبولاً ولن يبطل جانب التحكم الآلي في معايير المسابقة.

يمكن وضع وحدة PSU الخاصة بـ "المشروع" خارج 50 سم 3 ، حيث ستقوم محطة الفضاء الدولية بتزويد الوحدة بالطاقة ، إذا كانت الوحدة في الفضاء. يمكن أن ينشأ التبريد لمصابيح LED داخل "المشروع" خارج 50 سم 3 ، حيث يمكن لمحطة الفضاء الدولية توفير التبريد للوحدة ، إذا كانت الوحدة في الفضاء.

يمكن أن يتمتع "المستخدم" بوصول غير مقيد إلى أعلى وأربعة جوانب من حجم 50 سم 3 للصيانة الأسبوعية المخطط لها ، ولكن لا يستبعد المشكلات غير المخطط لها ، في حالة ظهور مشكلة غير مخطط لها مع "المشروع".

بعد ذلك ، جمعت معايير المسابقة

بيانات المشروع

ماء: 100 مل / نبات / يوم (مقترح)

الإضاءة: 300-400 ميكرولتر / م 2 / ثانية ضمن PAR 400-700 نانومتر (مقترح)

دورة الضوء: 12/12

نوع الضوء: LED (مقترح)

دوران الهواء: 2.35 قدم مكعب / 0.0665 متر مكعب (منطقة نمو تصميمي)

درجة الحرارة في محطة الفضاء الدولية: 65 إلى 80 درجة فهرنهايت / 18.3 إلى 26.7 درجة مئوية (كمرجع)

نوع النبات: الخس الروماني الأحمر "الرائع"

حجم النبات الناضج: ارتفاع 15 سم وقطر 15 سم

نظام النمو: (اختيار المصمم)

اللوازم

سنحتاج إلى الإمدادات

(تُستخدم هذه الأجزاء لإثبات المفهوم ، وربما لم يتم اعتمادها للسفر إلى الفضاء)

1 - 0.187 "48" x96 "ABS أبيض

3 - ميكرو كونترولر

1 - 1602 شاشة عرض LCD

1 - درع مسجل البيانات للنانو

3 - مقاومات ضوئية

4 - حساسات AM2302

1 - جهاز استشعار درجة الحرارة DS18B20

1 - مستشعر EC ،

1 - 15mA 5V مستوى السائل البصري

1 - DS3231 لـ Pi (RTC)

… والمزيد من الإمدادات

1 - مضخة الجرعات التمعجية

1 - مضخة مياه 12 فولت

1- صافرات بيزو

3 - 220 أوم مقاومات

1 - مفتاح DPST

1 - 265-275nm معقم UVC

24 - 1½ أغطية صحية

1- مرحلة التحريك المغناطيسي للسائل / الهواء

1 - رأس تحكم بالتنقيط ، 8 خطوط

1 - انابيب الري بالتنقيط

1 - استبدال وعاء الماء

1 - معرف الأنابيب البلاستيكية

70 - مسامير لربط المصابيح

18 AWG & 22 AWG Wire

1 - انكماش الأنابيب

1 - ألمنيوم بالوعة الحرارة LED

5 - مفاتيح لمسية طويلة 6 مم

مقاومات 4-1 أوم ، 1 وات

1 - بذور الخس "آوتريدجيوس" Pkg

…و اكثر

1 - 400 واط لوح تعزيز

32-3 واط المصابيح البيضاء ، (6000-6500 ك)

1-24 فولت / 12 فولت / 5 فولت / 3.3 فولت PSU

8 - مراوح كمبيوتر 40 مم

11-5V مرحلات معزولة البصريات

10 - 1N4007 ديود فلاي باك

24 - سدادات الصوف الصخري

1 - المغذيات المائية

1 - حاوية المغذيات

1 - صفائح مايلر

… والأدوات

مذيب للالتصاق

رأى

مناشير الثقب

لحام حديد

جندى

تدريبات

رأس المثقاب

المفكات

الحاسوب

كابل USB

برنامج Arduino IDE

الخطوة 1: مقارنة نظام "VEGGIE" الحالي

يمكن لنظام "VEGGIE" الموجود على محطة الفضاء الدولية أن ينمو 6 رؤوس من الخس في 28 يومًا (4 أسابيع). إذا تم تشغيل "VEGGIE" لمدة 6 أشهر ، (متوسط الوقت الذي يقضيه رائد الفضاء على متن محطة الفضاء الدولية) فإنه سينمو 36 رأسًا من الخس مع 6 رؤوس إضافية عمرها أسبوعين. لطاقم مكون من 3 أفراد ، هذه خضروات طازجة مرتين في الشهر.

سينمي مشروع GARTH 6 رؤوس خس في 28 يومًا (4 أسابيع). ولكن.. إذا استمر لمدة 6 أشهر ، فسوف ينمو 138 رأسًا من الخس ، مع 18 رأسًا إضافيًا في مراحل مختلفة من النمو. بالنسبة لطاقم مكون من 3 أفراد ، فهذه خضروات طازجة 7 مرات في الشهر ، أو مرتين في الأسبوع تقريبًا.

إذا جذب ذلك انتباهك … فلنلق نظرة فاحصة على التصميم

الخطوة الثانية: مشروع GARTH

تكنولوجيا موارد أتمتة النمو للبستنة

(صور مشروع GARTH هي نموذج بالحجم الطبيعي الكامل ، مصنوعة من لوح أساسي من الرغوة Dollar Store)

يعمل مشروع GARTH على زيادة الإنتاجية من خلال استخدام 4 مناطق نمو مُحسّنة منفصلة. كما تشمل أنظمة التحكم الآلي في الإضاءة وجودة الهواء وجودة المياه واستبدال المياه.

توفر مصابيح LED البيضاء 6000K 32 ، متطلبات PAR المقترحة. تم دمج نظام دوران الهواء بمروحتين ونظام تهوية بأربعة مراوح للحفاظ على البيئة الداخلية ، وتم اختيار نظام الزراعة المائية ذات الأغشية الرقيقة (NTF) آليًا وذاتي التحسين لتغذية النباتات ومراقبتها. يتم الاحتفاظ بالمياه البديلة للتبخر في خزان منفصل في منطقة التخزين العلوية بالقرب من خزان المغذيات السائلة الذي يتم تحريكه باستمرار ، وهو ضروري للحفاظ على مستوى المغذيات في نظام الزراعة المائية بمساعدة خارجية من رائد فضاء. تدخل كل الطاقة وتعمل وتوزع من منطقة التخزين العلوية.

الخطوة 3: ميزات التصميم

مجالات النمو الأربعة

المرحلة الأولى (الإنبات) ، للبذور التي عمرها 0-1 أسبوع ، حوالي 750 سم مكعب من مساحة النمو

المرحلة الثانية ، للنباتات القديمة من أسبوع إلى أسبوعين ، مساحة نمو تبلغ حوالي 3600 سم مكعب

المرحلة الثالثة ، للنباتات القديمة من 2-3 أسابيع ، مساحة نمو تبلغ حوالي 11000 سم مكعب

المرحلة الرابعة ، للنباتات القديمة من 3-4 أسابيع ، حوالي 45000 سم مكعب من مساحة النمو

(يتم دمج مناطق المرحلة الأولى والثانية في صينية قابلة للإزالة لتسهيل الزراعة والخدمة والتنظيف)

الخطوة 4: نظام الإضاءة

كانت الإضاءة صعبة بدون الوصول إلى مقياس PAR ، ولحسن الحظ كان السيد ديويت في Fairchild Tropical Botanic Garden للذهاب إليه بأسئلة. لقد وجهني إلى الرسوم البيانية التي كانت مفيدة للغاية وقادتني هذه المخططات أيضًا إلى القيادة الخطية 1. باستخدام الرسوم البيانية وموقع الويب ، تمكنت من حساب احتياجات الإضاءة والدوائر الخاصة بي.

يستخدم تصميمي 26.4 فولت من جهد المصدر لتشغيل 4 صفائف من 8 ، 3 واط LEDs في سلسلة مع مقاومات 1 أوم ، 1 واط. سأستخدم إمدادًا بجهد 24 فولت ومحول دفعة لرفع التيار المستمر إلى 26.4 فولت. (على متن محطة الفضاء الدولية ، سيستخدم تصميمي 27 فولت المتوفر ومحول باك لخفض الجهد وتوفير تيار ثابت يبلغ 26.4 فولت)

هذه قائمة أجزاء نظام الإضاءة.

32 ، أبيض 6000-6500 كيلو ، 600 مللي أمبير ، تيار مستمر 3 فولت - 3.4 فولت ، 3 واط LEDs

مقاومات 4 ، 1 أوم - 1 واط

1 ، 12A 400W محول دفعة

1 ، 40 ملم مروحة

1 ، الثرمستور

1 ، DS3231 لـ Pi (RTC) أو datalogger

18 سلك AWG

… وهذه هي الطريقة التي أخطط بها لاستخدام 32 من مصابيح LED 3W.

مصباح LED واحد في المرحلة 1 ، وأربعة في المرحلة 2 وتسعة في المرحلة 3. ستضيء آخر ثمانية عشر مصباحًا المرحلة 4 وتصل بنا إلى إجمالي ضخم يبلغ 96 وات من الضوء عند 2.4 أمبير تقريبًا.

الخطوة الخامسة: نظام تدوير الهواء والتنفيس

(يرجى تذكر أن السباكة والأسلاك الكهربائية لم تكتمل. هذه صور لنموذج بالحجم الطبيعي للنظام المقترح)

يتم الدوران بواسطة مروحتين 40 مم. مروحة دفع تنفخ في المرحلة الرابعة من القناة الموجودة في الجزء الخلفي الأيسر العلوي. سوف يتدفق الهواء عبر المرحلة الرابعة وإلى مقدمة المرحلة الثالثة ، ثم عبر المرحلة الثالثة وخارجه للخلف (لأعلى وحول المرحلة الأولى ، عبر قناة قصيرة) إلى مؤخرة المرحلة الثانية. مروحة سحب في الأنبوب أعلى المرحلة الثانية ، ستسحب الهواء من خلال المرحلة الثانية ويخرج من الزاوية الأمامية العلوية اليمنى. إتمام الرحلة عبر نظام تدوير الهواء.

ستكون فتحة التهوية في المرحلة الرابعة خارج الجدار الخلفي العلوي مباشرة. المرحلة الثالثة ستخرج من خلال جدارها الخلفي العلوي أيضًا. سيتم تهوية المرحلة الثانية مباشرة من خلال الجزء العلوي وستخرج مرحلة الإنبات (المرحلة 1) من الجدار الخلفي ، على غرار المرحلتين 3 و 4.

الخطوة السادسة: نظام الزراعة المائية NFT

(مجس EC ، مسبار درجة الحرارة ، مستشعر مستوى السائل ، خراطيم لاستبدال التبخر من خزان المياه العذبة والخراطيم التي تربط مضخة الحوض بالقنوات ، كلها ستكون موجودة هنا في الحوض ولكن لم تظهر في هذه الصورة)

يشتمل النظام على مستنقع 9000 + مل / سم مكعب وخزان مياه عذبة سعة 7000 + مل // سم مكعب لاستبدال التبخر ومضخة مياه بقدرة 12 فولت 800 لتر / ساعة ومعقم للأشعة فوق البنفسجية لقتل أي طحالب في الماء الداخل مشعب تدفق قابل للتعديل من 8 منافذ ، برج تهوية مع مروحة تدفق معاكسة لتهوية المياه المتدفقة لأسفل من المرحلة 2 وتحريك مياه العادم في مرحلة التحريك ، مستشعر مستوى السائل ، مستشعر EC ، مستشعر درجة حرارة الماء ، مضخة تمعجية الجرعات من خزان المغذيات ، وهي مرحلة تقليب تحافظ على العناصر الغذائية في المحلول في الخزان وخمس قنوات أو أحواض للنمو. قنوات النمو الخمس ، مرحلة التحريك ، يستقبل برج التهوية الماء من مشعب التدفق القابل للضبط ذو 8 منافذ ، وعندما يحتاج نظام الزراعة المائية إلى الصيانة ، فإن مفتاح قطع قطب منفرد (DPST) موجود على اللوحة الأمامية سيغلق الطاقة قبالة إلى مضخة المياه ، ومعقم الأشعة فوق البنفسجية - C وجرعات المغذيات المضخة التمعجية. سيسمح هذا "للمستخدم" بالعمل بأمان على نظام الزراعة المائية دون تعريض أنفسهم أو المحصول للخطر.

الخطوة 7: نظام توصيل المغذيات الأوتوماتيكي

أنا أستخدم "أداة التحسين الذاتي للمغذيات من Arduino" التي طورها مايكل راتكليف لهذا المشروع. لقد عدّلت رسمه التخطيطي ليتناسب مع نظامي وأجهزتي وأنا أستخدم مقياس مايكل "Three Dollar EC - PPM" كمستشعر EC الخاص بي.

يمكن العثور على معلومات أو تعليمات لكل من هذين المشروعين على: element14 أو hackaday أو michaelratcliffe

الخطوة 8: إلكترونيات أنظمة الأتمتة

سيستخدم نظام الإضاءة وحدة تحكم صغيرة من Arduino ، واحدة DS3231 لـ Pi (RTC) ، وحدة ترحيل 4 واحدة ، أربعة مقاومات 1 أوم - 1 واط ، 32 مقاومات بيضاء 3 وات ، محول دفعة 400 واط ، ثلاث مقاومات صور ، كمبيوتر 40 ملم مروحة وثرمستور واحد. ستستخدم وحدة التحكم الدقيقة RTC لتوقيت الأضواء في 12 ساعة تشغيل و 12 ساعة إيقاف. ستراقب مستويات الضوء في المراحل الثانية والثالثة والرابعة باستخدام مقاومات الصور وتنبيه باستخدام منبه LED / بيزو ، إذا اكتشف مستوى إضاءة منخفضًا في أي مرحلة ، أثناء إضاءة دورة. ستتم مراقبة درجة حرارة لوحة القيادة LED بواسطة المقاوم الحراري المتصل في خط بمروحة 40 مم وسيبدأ التبريد تلقائيًا عند اكتشاف حرارة كافية.

تم تطوير نظام توصيل المغذيات بواسطة مايكل راتكليف. يستخدم النظام Arduino Mega ، أحد أفكار مسبار مايكل EC ، درع شاشة لوحة مفاتيح LCD 1602 ، مستشعر درجة حرارة الماء DS18B20 ، مضخة جرعات تمعجية بجهد 12 فولت ومرحل واحد معزول بصري 5 فولت. أضفت مستشعر بصري لمستوى السائل. سيقوم النظام بمراقبة EC ودرجة حرارة الماء وتنشيط المضخة التمعجية لجرعة العناصر الغذائية حسب الحاجة. ستراقب وحدة التحكم الدقيقة مستوى الماء في الحوض وتنبه باستخدام إنذار LED / بيزو إذا كانت درجة حرارة الماء في الحوض تتجاوز النطاق الذي حدده المستخدم ، إذا كانت بيانات مستشعر EC تتجاوز النطاق الذي حدده المستخدم لفترة أطول من مجموعة المستخدم فترة زمنية أو إذا انخفض منسوب مياه الحوض عن المستوى الذي حدده المستخدم.

سيتألف نظام تدوير الهواء من متحكم Arduino وأربعة مستشعرات AM2302 وستة مراوح كمبيوتر 40 مم (مروحتان لدوران الهواء للمرحلة الثانية والثالثة والرابعة و 4 مراوح تهوية) ومعقم UV-C وستة مرحلات معزولة ضوئيًا 5 فولت (للجماهير). ستراقب وحدة التحكم درجة حرارة الهواء والرطوبة في جميع المراحل الأربع وتبدأ تلقائيًا نظام دوران المروحة أو مراوح تنفيس المرحلة الفردية حسب الحاجة للحفاظ على درجة الحرارة والرطوبة ضمن نطاقات المستخدم المحددة. ستعمل وحدة التحكم أيضًا على ضبط توقيت معقم الأشعة فوق البنفسجية والتحكم فيه والحفاظ على إنذار LED / بيزو في حالة تجاوز درجة الحرارة أو الرطوبة المستويات التي حددها المستخدم في أي من المراحل الأربع.

الخطوة 9: البناء

سيتم بناء العلبة مقاس 50 سم 3 والقنوات وخزان استبدال تبخر المياه العذبة وبرج التهوية وقناة دوران الهواء المركزية ودرج المرحلة الأولى والثانية ودعامات السقف (غير معروضة) ومعظم الهياكل الداعمة الأخرى من 0.187 ABS الأسود. تظهر الستائر الأمامية للمراحل في فيلم Mylar على النموذج ، ولكن من المرجح أن تكون مصنوعة من الأكريليك المطلي العاكس أو البولي كربونات على النموذج الأولي الفعلي. سيتم تركيب الإضاءة (غير معروضة ولكنها تتكون من 4 صفائف من 8 ، 3W LEDs في السلسلة) على صفائح ألمنيوم 0.125 بوصة تقريبًا مع أنابيب نحاسية ملحومة 0.125 على الجانب العلوي للتبريد السائل ، (هذا التبريد سيدخل ويخرج من الخلف من الوحدة لفصل المبرد غير المتعلق بالمسابقة). يتم توصيل السباكة بمياه NTF إلى المرحلة 1 و 2 (لا تظهر في أي من الصور ولكن) عن طريق توصيل سريع في مقدمة المرحلة الثانية.

قد يتم نقل محول التعزيز (الموضح في صورة منطقة التخزين العلوية) أسفل صينية الإنبات (المرحلة 1) لتوفير حرارة إضافية للإنبات. سيتم وضع مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة AM2302 (غير معروضة) في مكان مرتفع في كل مرحلة (خارج مسار دوران الهواء المخطط بانتظام)

قد يبدو أن التصميم لا يفكر في الفضاء على الإطلاق ،

لكن هذه ليست هي القضية. لم يتم تحسين نظام NTF الموضح هنا أو تعديله للفضاء ، ولكن أنظمة الزراعة المائية NTF منافسة جادة للاحتياجات الفريدة للمحاصيل الفضائية في الجاذبية الصغرى ولدي أفكار لتحسين المساحة.

طلبت منا المسابقة تصميم نظام ينمي المزيد من النباتات في مساحة محددة وأتمتة التصميم قدر الإمكان.

ستحتاج التصميمات المختارة للمرحلة الثانية إلى زراعة النباتات لها على الأرض أولاً. أعتقد أن تصميمي يفي بجميع متطلبات المسابقة ويفعل ذلك مع احترام المساحة الحقيقية اللازمة لنمو النبات ، ودوران الهواء ، والضوابط البيئية الآلية وأسابيع من المواد الاستهلاكية للنباتات. كل ذلك في مساحة 50 سم 3 المعطاة لنا.

الخطوة 10: لفها

تعمل أتمتة مشروع GARTH على تقليل الاهتمام المطلوب إلى مرة واحدة في الأسبوع.

انخفاض بمقدار سبعة أضعاف في الصيانة مقارنة بنظام "VEGGIE".

بدأت ستة مصانع أسبوعيا في مشروع GARTH.

زيادة في الإنتاج أربعة أضعاف ، مقارنة بستة مصانع بدأت شهريًا في نظام "VEGGIE".

أنا أعتبر هذه التغييرات فعالة ومبتكرة وفعالة.

انا اتمنى انك سوف ايضا.

الوصيف في مسابقة Growing Beyond Earth Maker