Pestovanie viac šalátu na menšom priestore alebo Pestovanie šalátu vo vesmíre, (viac alebo menej) .: 10 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Toto je profesionálny príspevok do súťaže Growing Beyond Earth, Maker Contest, odoslanej prostredníctvom Instructables.

Nemohol som byť nadšený z toho, že navrhujem vesmírnu produkciu plodín a uverejňujem svoj prvý návod.

Na začiatku nás súťaž požiadala, aby sme …

„… Odošlite návod s podrobnosťami o návrhu a konštrukcii vašej rastovej komory, ktorá (1) zapadá do objemu 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) obsahuje všetky funkcie potrebné na udržanie rastu rastlín, tj. Umelé svetlo, zavlažovací systém, a prostriedkami na cirkuláciu vzduchu a (3) efektívne a vynaliezavo využíva vnútorný objem, aby sa zmestilo a úspešne pestovalo čo najviac rastlín. “

Po prečítaní súťažných požiadaviek a častých otázok som pri procese navrhovania urobil nasledujúce predpoklady.

Raz týždenne naplánovaná interakcia s „projektom“astronautom by bola prijateľná a nerušila by aspekt automatického riadenia v súťažných kritériách.

Zdroj PSU pre „projekt“môže byť umiestnený mimo 50 cm3, pretože ISS by dodávala energiu do jednotky, ak by bola jednotka vo vesmíre. Chladenie LED diód vo vnútri „projektu“môže pochádzať mimo 50 cm3, pretože ISS môže dodávať chladenie do jednotky, ak by bola jednotka vo vesmíre.

„Užívateľ“môže mať neobmedzený prístup na vrch a 4 strany objemu 50 cm3 na plánovanú týždennú údržbu, ale nevylučuje neplánované problémy, ak by s „projektom“nastal neplánovaný problém.

Ďalej som zhromaždil parametre pre súťaž

Údaje o projekte

Voda: 100 ml/rastlina/deň (odporúčané)

Osvetlenie: 300-400? Mol/M2/s do PAR 400-700nm (odporúčané)

Svetelný cyklus: 12/12

Typ svetla: LED (odporúčané)

Cirkulácia vzduchu: pre 0,0355 m/2,35 cf (oblasť rastu podľa môjho návrhu)

Teplota na ISS: 65 až 80 ° F / 18,3 až 26,7 ° C (referenčné)

Typ rastliny: „Úžasný“červený rímsky šalát

Veľkosť dospelej rastliny: 15 cm vysoká a 15 cm v priemere

Rastový systém: (výber dizajnéra)

Zásoby

Budeme potrebovať zásoby

(Tieto diely sa používajú na dôkaz koncepcie, pravdepodobne NIE sú schválené na vesmírne lety)

1 - 0,187”48” x96”biely ABS

3 - Mikroprocesory

1 - 1602 LCD displej

1 - Štít záznamníka údajov pre Nano

3 - Foto rezistory

4 - snímače AM2302

1 - snímač teploty DS18B20

1 - snímač ES, Optická hladina kvapaliny 1 - 15mA 5V

1 - DS3231 pre Pi (RTC)

… a ďalšie zásoby

1 - Peristaltické dávkovacie čerpadlo

1 - 12V vodné čerpadlo

1 - Piezo bzučiaky

Rezistory 3 - 220 Ohm

1 - prepínač DPST

1-265-275nm UVC sterilizátor

24 - 1 ½”hygienické čiapky

1 - Magnetický stupeň miešania kvapalina/vzduch

1 - Riadiaca hlava odkvapkávania, 8 riadkov

1 - Odkvapkávacia zavlažovacia hadica

1 - Náhradná nádoba na vodu

1 - ½ ID rúrka z PVC

70 - Skrutky na pripevnenie LED diód

Drôt 18 AWG a 22 AWG

1 - Zmršťovacia hadička

1 - Hliník pre chladič LED

Hmatové spínače vysoké 5 - 6 mm

4 - 1 Ohm, 1 W odpor

1 - Pkg semienok „úžasného“šalátu

…a viac

Doska na zvýšenie výkonu 1 - 400 W

32-3W biele LED diódy, (6000-6500k)

Napájací zdroj 1 - 24V / 12V / 5V / 3,3V

8 - 40 mm počítačové ventilátory

Izolované relé 11 - 5V Opto

10 - 1N4007 dióda flyback

24 - Zástrčky Rockwool

1 - Hydroponické živiny

1 - Zásobník živín

1 - Mylarová fólia

… a nástroje

Rozpúšťadlo na lepenie

Videl

Dierové píly

Spájkovačka

Spájka

Vŕtačka

Vrtáky

Skrutkovače

Počítač

USB kábel

Softvér Arduino IDE

Krok 1: Porovnanie súčasného systému „VEGGIE“

Systém „VEGGIE“na ISS dokáže vypestovať 6 hlávkových šalátov za 28 dní (4 týždne). Ak by „VEGGIE“trvala 6 mesiacov (priemerný čas, kedy je astronaut na palube ISS), vypestovalo by to 36 hláv šalátu s ďalšími 6 hlavami, ktoré mali dva týždne. Pre trojčlennú posádku je to čerstvá zelenina dvakrát mesačne.

Projekt GARTH vypestuje 6 hlávkového šalátu za 28 dní (4 týždne). ALE.. keby bežal 6 mesiacov, narástlo by mu 138 hlávok šalátu, s ďalšími 18 hlavami v rôznych fázach rastu. Pre trojčlennú posádku je to čerstvá zelenina 7½ krát mesačne alebo takmer dvakrát týždenne.

Ak vás to upúta pozornosť … pozrime sa podrobnejšie na dizajn

Krok 2: Projekt GARTH

Technológia zdrojov automatizácie rastu pre záhradníctvo

(Fotografie projektu GARTH sú makety v plnom rozsahu vyrobené z penovej základnej dosky Dollar Store)

Projekt GARTH maximalizuje produktivitu použitím 4 oddelených optimalizovaných oblastí rastu. Obsahuje tiež automatické riadiace systémy pre osvetlenie, kvalitu vzduchu, kvalitu vody a výmenu vody.

32, biele 6000K LED svetlá poskytujú odporúčané požiadavky PAR. Na udržanie vnútorného prostredia bol začlenený systém cirkulácie vzduchu s dvoma ventilátormi a ventilačný systém so štyrmi ventilátormi a na kŕmenie a monitorovanie rastlín bol zvolený automatizovaný hydroponický systém s automatickou optimalizáciou živej tenkej fólie (NTF). Náhradná voda pre odparovanie je držaná v samostatnom zásobníku v hornej skladovacej oblasti v blízkosti neustále miešaného zásobníka tekutých živín, potrebného na udržanie hladiny živín v hydroponickom systéme bez pomoci astronauta. Všetka energia vstupuje, pracuje a je distribuovaná z horného úložného priestoru.

Krok 3: Vlastnosti dizajnu

Štyri oblasti rastu

1. etapa (klíčenie), pre semená staré 0-1 týždeň, približne 750 cm3 rastového priestoru

2. etapa, pre rastliny staré 1 až 2 týždne, približne 3 600 cm3 rastového priestoru

3. etapa, pre rastliny staré 2 až 3 týždne, približne 11 000 cm3 rastového priestoru

4. fáza, pre rastliny staré 3-4 týždne, približne 45 000 cm3 rastového priestoru

(Oblasti 1. a 2. etapy sú kombinované na vyberateľnom podnose, aby sa uľahčilo sadenie, údržba a čistenie)

Krok 4: Osvetľovací systém

Osvetlenie bolo náročné bez prístupu k meraču PAR, našťastie mal súťaž pán Dewitt v tropickej botanickej záhrade Fairchild, kde sa môžete pýtať. Nasmeroval ma na grafy, ktoré boli veľmi nápomocné a tieto grafy ma tiež priviedli na stránku led.linear1. Pomocou tabuliek a webových stránok som bol schopný vypočítať svoje potreby osvetlenia a obvodov.

Môj návrh používa 26,4 V zdrojového napätia na spustenie 4 polí s 8, 3 wattovými LED diódami v sérii s odpormi 1 ohm a 1 watt. Na zvýšenie konštantného prúdu na 26,4 V použijem napájanie 24 V a prevodník Boost. (Na palube ISS by môj návrh používal 27 V, ktorý je k dispozícii, a prevodník Buck na zníženie napätia a zabezpečenie konštantného prúdu 26,4 V)

Toto je zoznam dielov osvetľovacieho systému.

32, biele 6000-6500k, 600mA, DC 3V – 3,4V, 3W LED diódy

4, 1 ohm - 1W odpory

1, 12A 400W zosilňovač

1, 40 mm ventilátor

1, termistor

1, DS3231 pre Pi (RTC) alebo datalogger

Drôt 18 AWG

… a takto plánujem použiť tých tridsaťdva, 3W LED diódy.

Jedna LED dióda v etape 1, štyri v etape 2 a deväť v etape 3. Posledných osemnásť diód LED rozsvieti fázu 4 a dovedie nás k ohromujúcim celkovým výkonom 96 wattov svetla pri približne 2,4 ampéroch.

Krok 5: Cirkulačný a ventilačný systém vzduchu

(Nezabudnite, že vodovodné a elektrické vedenie nie je dokončené. Toto sú fotografie predlohy navrhovaného systému.)

Cirkulácia sa dosahuje dvoma 40 mm ventilátormi. Tlakový ventilátor, ktorý fúka do 4. etapy z potrubia v ľavej hornej časti zadnej časti. Vzduch bude prúdiť cez 4. etapu a do prednej časti 3. etapy, potom cez 3. etapu a von zozadu (hore a okolo 1. etapy cez krátke potrubie) do zadnej časti 2. etapy. Odťahový ventilátor v potrubí nad 2. stupňom bude ťahať vzduch cez 2. stupeň a von z pravého predného horného rohu. Dokončenie cesty systémom cirkulácie vzduchu.

Odvetranie 4. etapy bude priamo von z hornej zadnej steny. Tretia etapa sa bude vetrať aj cez hornú zadnú stenu. Druhá etapa bude vetraná priamo zhora a klíčiaca fáza (fáza 1) bude vetrať zadnou stenou, podobne ako fázy 3 a 4.

Krok 6: Hydroponický systém NFT

(Sonda EC, teplotná sonda, snímač hladiny kvapaliny, hadice na výmenu odparovania zo sladkovodnej nádrže a hadice spájajúce čerpadlo žumpy s kanálmi, všetky budú umiestnené tu v jímke, ale neboli zobrazené na tejto fotografii)

Systém obsahuje žumpu 9 000+ml/cc, 7 000+ml // cc zásobník na sladkú vodu na výmenu odparovania, vodné čerpadlo 12V 800 L/hod, sterilizátor UV-C na likvidáciu všetkých rias vo vode vstupujúcej do 8 -portový nastaviteľný prietokový rozdeľovač, prevzdušňovacia veža s protiľahlým prietokovým ventilátorom na prevzdušnenie nadol prúdiacej vody z etapy 2 a z miešacieho stupňa odvádzaná voda, snímač hladiny kvapaliny, snímač EC, snímač teploty vody, dávkovanie peristaltického čerpadla zo zásobníka živín, fáza miešania, ktorá udržuje živiny v roztoku v nádrži a piatich rastových žľaboch alebo kanáloch. Päť rastových kanálov, stupeň miešania a prevzdušňovacia veža dostávajú vodu z 8 -portového nastaviteľného prietokového potrubia. Keď je potrebné vykonať údržbu hydroponického systému, dvojpólový vypínač s jedným hádzaním (DPST) umiestnený na prednom paneli vypne napájanie. vypnite do vodnej pumpy, sterilizátora UV-C a dávkovača živín peristaltickej pumpy. To umožní „Užívateľovi“bezpečne pracovať na hydroponickom systéme bez ohrozenia seba alebo plodiny.

Krok 7: Automatický systém dodávania živín

Používam „Samooptimalizovaný automatizovaný dávkovač živín Arduino“, ktorý pre tento projekt vyvinul Michael Ratcliffe. Jeho náčrt som prispôsobil svojmu systému a hardvéru a ako snímač EC používam Michaelov „tri doláre EC - PPM merač“.

Informácie alebo pokyny pre oba tieto projekty nájdete na: element14, hackaday alebo michaelratcliffe

Krok 8: Elektronika automatizačných systémov

Osvetľovací systém bude používať mikrokontrolér Arduino, jeden DS3231 pre Pi (RTC), jeden 4 reléový modul, štyri odpory 1 ohm-1 watt, tridsaťdva bielych LED diód 3 W, jeden 400 W zosilňovač zosilnenia, tri fotorezistory, jeden 40 mm počítač. ventilátor a jeden termistor. Mikroprocesor použije RTC na načasovanie svetiel v cykle 12 hodín zapnuté a 12 hodiny vypnuté. Bude monitorovať úrovne svetla v 2., 3. a 4. stupni pomocou fotoodporov a upozorní pomocou LED/piezo alarmu, ak počas cyklu zapnutia svetiel zistí slabú úroveň osvetlenia v ktorejkoľvek fáze. Teplota dosky vodiča LED bude monitorovaná termistorom zapojeným do 40 mm ventilátora a automaticky začne chladiť, keď je detegované dostatočné množstvo tepla.

Systém dodávania živín vyvinul Michael Ratcliffe. Systém používa Arduino Mega, jednu z Michaelových myšlienok sondy EC, jeden štít displeja LCD klávesnice 1602, jeden snímač teploty vody DS18B20, jedno peristaltické dávkovacie čerpadlo 12V a jedno opto izolované relé 5V. Pridal som jeden optický snímač hladiny kvapaliny. Systém bude monitorovať EC a teplotu vody a podľa potreby aktivovať peristaltické čerpadlo na dávkovanie živín. Mikroprocesor bude monitorovať hladinu vody v jímke a upozorní LED/piezo alarmom, ak je teplota vody v nádrži mimo rozsah nastavený užívateľom, ak sú údaje senzora EC mimo rozsah nastavený používateľom dlhšie, ako je nastavený používateľom. alebo ak hladina vody v jímke klesne pod úroveň nastavenú užívateľom.

Systém cirkulácie vzduchu bude pozostávať z mikrokontroléra Arduino, štyroch senzorov AM2302, šiestich 40 mm počítačových ventilátorov (dva ventilátory cirkulácie vzduchu pre 2., 3. a 4. stupeň a 4 vetracie ventilátory), jedného UV-C sterilizátora a šiestich 5V opto izolovaných relé (pre fanúšikov). Regulátor bude monitorovať teplotu a vlhkosť vzduchu vo všetkých 4 stupňoch a podľa potreby automaticky spustí cirkulačný systém dvoch ventilátorov alebo ventilátory jednotlivých stupňov, aby sa teplota a vlhkosť udržali v rozsahu nastavenom užívateľom. Ovládač bude tiež nastavovať a ovládať načasovanie sterilizátora UV-C a udržiavať LED/piezo alarm v prípade, že teplota alebo vlhkosť v ktorejkoľvek zo 4 fáz prekročí hodnoty nastavené používateľom.

Krok 9: Zostavenie

Skriňa s objemom 50 cm3, kanály, náhradná nádrž na odparovanie sladkej vody, prevzdušňovacia veža, centrálny kanál na cirkuláciu vzduchu, zásuvka 1. a 2. stupňa, strešné výstuže (nezobrazené) a väčšina ďalšej nosnej konštrukcie budú postavené od 0,187” Čierne ABS. Predné závesy pre stupne sú na vzorke zobrazené v Mylarovej fólii, ale pravdepodobne budú na skutočnom prototype vyrobené z reflexného akrylátu alebo polykarbonátu. Osvetlenie (nezobrazené, ale pozostávajúce zo 4 polí s 8, 3W diódami LED v sérii) bude namontované na približne 0,125 palcovom hliníkovom pláte s 0,125 palcovými medenými rúrkami spájkovanými na hornú stranu na kvapalinové chladenie (chladenie by vstupovalo a vystupovalo zozadu. jednotky, aby sa oddelil chladič nesúvisiaci so súťažou). Inštalácia vody NTF do etapy 1 a 2 (nie je zobrazená na žiadnej z fotografií, ale) pripája sa pomocou rýchleho pripojenia v prednej časti 2. etapy.

Posilňovací prevodník (zobrazený na fotografii hornej úložnej oblasti) je možné premiestniť pod podložku na klíčenie (stupeň 1), aby poskytol ďalšie teplo na klíčenie. AM2302, snímače teploty a vlhkosti (nezobrazené), budú umiestnené vysoko v každej etape (mimo pravidelne plánovanej cesty cirkulácie vzduchu)

Zdá sa, že dizajn vôbec nemyslí na priestor,

ale nie je to tak. Môj tu popísaný systém NTF nie je optimalizovaný ani upravovaný pre vesmír, ale hydroponické systémy NTF sú vážnymi uchádzačmi o jedinečné potreby vesmírnych plodín v mikrogravitácii a mám nápady na jeho optimalizáciu vesmíru.

Súťaž nás požiadala, aby sme navrhli systém, v ktorom sa vo vymedzenom priestore pestuje viac rastlín a čo najviac automatizuje dizajn.

Návrhy vybrané pre fázu 2 budú musieť najskôr pestovať rastliny na Zemi. Verím, že môj návrh spĺňa všetky požiadavky súťaže a robí to pri rešpektovaní skutočného priestoru potrebného na rast rastlín, cirkuláciu vzduchu, automatizované kontroly životného prostredia a spotrebný materiál pre rastliny na niekoľko týždňov. Všetko v rámci priestoru 50 cm3, ktorý sme dostali.

Krok 10: Zabaliť to

Automatizácia projektu GARTH znižuje potrebnú pozornosť na raz týždenne.

Sedemnásobný pokles údržby v porovnaní so systémom „VEGGIE“.

Šesť závodov sa začalo týždenne v projekte The GARTH.

Štvornásobný nárast výroby v porovnaní so šiestimi závodmi, ktoré sa začali mesačne v systéme „VEGGIE“.

Tieto zmeny považujem za účinné, vynaliezavé a efektívne.

Dúfam, že aj ty.

2. miesto v súťaži Growing Beyond Earth Maker