Coltivare più lattuga in meno spazio o Coltivare lattuga nello spazio, (più o meno).: 10 Passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questa è una presentazione professionale al concorso Growing Beyond Earth, Maker, presentata tramite Instructables.

Non potrei essere più entusiasta di progettare per la produzione di colture spaziali e di pubblicare il mio primo Instructable.

Per iniziare, il concorso ci ha chiesto di

“…invia un Instructable che dettaglia il design e la costruzione della tua camera di crescita delle piante che (1) si adatta a un volume di 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) contiene tutte le caratteristiche necessarie per sostenere la crescita delle piante, ad esempio luce artificiale, un sistema di irrigazione, e mezzi di circolazione dell'aria, e (3) fa un uso efficace e creativo del volume interno al fine di adattare e far crescere con successo il maggior numero possibile di piante.

Dopo aver letto i requisiti del concorso e le FAQ, ho formulato le seguenti ipotesi nel processo di progettazione.

Una volta alla settimana l'interazione pianificata con "il progetto" da parte di un astronauta sarebbe accettabile e non annullerebbe l'aspetto del controllo automatico nei criteri del concorso.

L'alimentatore per "il progetto" può essere alloggiato al di fuori dei 50 cm3, poiché l'ISS fornirebbe energia all'unità, se l'unità fosse nello spazio. Il raffreddamento per i LED all'interno del “progetto” può avere origine al di fuori dei 50 cm3, in quanto l'ISS può fornire raffreddamento all'unità, se l'unità fosse nello spazio.

"Utente" può avere accesso illimitato alla parte superiore e ai 4 lati del volume di 50 cm3 per la manutenzione settimanale pianificata, ma non esclude problemi non pianificati, nel caso in cui si verificasse un problema non pianificato con "il progetto".

Successivamente, ho raccolto i parametri per il concorso

Dati del progetto

Acqua: 100 ml/pianta/giorno (suggerito)

Illuminazione: 300-400 ?mol/M2/s entro PAR 400-700nm (suggerito)

Ciclo luce: 12/12

Tipo di luce: LED (consigliato)

Circolazione dell'aria: per 2.35cf/0.0665m3 (l'area di crescita del mio progetto)

Temperatura su ISS: da 65 a 80˚F / da 18,3 a 26,7 °C (per riferimento)

Tipo di pianta: Lattuga romana rossa "estrosa"

Dimensioni della pianta matura: 15 cm di altezza e 15 cm di diametro

Sistema di coltivazione: (scelta del progettista)

Forniture

Avremo bisogno di rifornimenti

(Queste parti sono utilizzate per la prova del concetto, probabilmente NON sono approvate per i viaggi nello spazio)

1 – 0,187” 48”x96” ABS bianco

3 – Microcontrollori

1 – 1602 display LCD

1 – Scudo Data Logger per Nano

3 – Fotoresistenze

4 – Sensori AM2302

1 – Sensore di temperatura DS18B20

1 – Sensore EC, Livello del liquido ottico da 1 a 15 mA 5 V

1 – DS3231 per Pi (RTC)

…e più forniture

1 – Pompa dosatrice peristaltica

1 – pompa dell'acqua 12V

1 – Cicalini piezo

3 – 220 Ohm resistenze

1 – Interruttore DPST

1 – Sterilizzatore UVC da 265-275 nm

24 – Tappi sanitari da 1½”

1 – Stadio di agitazione magnetica liquido/aria

1 – Testa gocciolatore, 8 linee

1 – Tubo per irrigazione a goccia

1 – Serbatoio dell'acqua di ricambio

Tubo in PVC 1 – ½ ID

70 – Viti per il fissaggio dei LED

Cavo 18 AWG e 22 AWG

1 – Tubo termoretraibile

1 – Alluminio per dissipatore di calore LED

Interruttori tattili alti 5-6 mm

Resistori da 4 – 1 Ohm, 1 Watt

1 – Pkg semi di lattuga “Outredgeous”

…e altro ancora

1 – Scheda Boost da 400 W

32 – LED bianchi da 3W, (6000-6500k)

Alimentatore 1 – 24 V / 12 V / 5 V / 3,3 V

Ventole per computer da 8 – 40 mm

Relè optoisolati 11 – 5V

10 – 1N4007 diodo flyback

24 – Tappi in lana di roccia

1 – Nutrienti idroponici

1 – Contenitore di nutrienti

1 – Lenzuola in Mylar

…e strumenti

Solvente per incollare

Sega

Seghe a tazza

Saldatore

Saldare

Trapano

Punta del trapano

cacciaviti

Computer

cavo USB

Software Arduino IDE

Passaggio 1: confronto dell'attuale sistema "VEGGIE"

Il sistema “VEGGIE” su ISS può far crescere 6 cespi di lattuga in 28 giorni (4 settimane). Se "VEGGIE" funzionasse per 6 mesi, (il tempo medio di un astronauta a bordo della ISS) crescerebbe 36 cespi di lattuga con altri 6 cespi di due settimane. Per un equipaggio di 3 persone, sono verdure fresche due volte al mese.

Il progetto GARTH farà crescere 6 cespi di lattuga in 28 giorni (4 settimane). MA.. se funzionasse per 6 mesi, crescerebbe 138 cespi di lattuga, con ulteriori 18 cespi in vari stadi di crescita. Per un equipaggio di 3 persone, sono verdure fresche 7 volte e mezzo al mese, o quasi due volte a settimana.

Se questo attira la tua attenzione… diamo un'occhiata più da vicino al design

Fase 2: Il progetto GARTH

Tecnologia delle risorse di automazione della crescita per l'orticoltura

(Le foto del progetto GARTH sono di un modello in scala reale, realizzato con il pannello centrale in schiuma Dollar Store)

Il progetto GARTH massimizza la produttività attraverso l'uso di 4 aree di crescita ottimizzate separate. Include anche sistemi di controllo automatico per l'illuminazione, la qualità dell'aria, la qualità dell'acqua e la sostituzione dell'acqua.

32, luci a LED bianche 6000K forniscono i requisiti PAR suggeriti. Un sistema di circolazione dell'aria a due ventole e un sistema di ventilazione a quattro ventole sono stati incorporati per mantenere l'ambiente interno, ed è stato scelto un sistema idroponico auto-ottimizzante Nutrient Thin Film (NTF) per nutrire e monitorare le piante. L'acqua di sostituzione dell'evaporazione viene conservata in un serbatoio separato nell'area di stoccaggio superiore vicino a un serbatoio di nutrienti liquidi costantemente agitati, necessari per mantenere il livello di nutrienti nel sistema idroponico senza l'assistenza di un astronauta. Tutta la potenza entra, opera e viene distribuita dall'area di stoccaggio superiore.

Passaggio 3: caratteristiche di progettazione

Le quattro aree di crescita

1° stadio (germinazione), per semi di 0-1 settimane, circa 750 cc di spazio di crescita

2° stadio, per piante di 1-2 settimane, circa 3.600 cc di spazio di crescita

3° stadio, per piante di 2-3 settimane, circa 11.000 cc di spazio di crescita

4° stadio, per piante di 3-4 settimane, circa 45.000 cc di spazio di crescita

(Le aree del 1° e 2° stadio sono combinate su un vassoio rimovibile per facilitare la semina, la manutenzione e la pulizia)

Passaggio 4: sistema di illuminazione

L'illuminazione era difficile senza l'accesso a un misuratore PAR, fortunatamente il concorso aveva il signor Dewitt al Fairchild Tropical Botanic Garden, a cui rispondere con le domande. Mi ha indirizzato a grafici che sono stati molto utili e quei grafici mi hanno portato anche a led.linear1. Con i grafici e il sito Web, sono stato in grado di calcolare le mie esigenze di illuminazione e circuiti.

Il mio progetto utilizza 26,4 V di tensione sorgente per far funzionare 4 array di LED da 8, 3 watt in serie con resistori da 1 ohm, 1 watt. Userò un'alimentazione a 24 V e un convertitore Boost per aumentare la corrente costante a 26,4 V. (A bordo della ISS, il mio progetto utilizzerebbe i 27 V disponibili e un convertitore Buck per abbassare la tensione e fornire la corrente costante di 26,4 V)

Questa è la lista delle parti per il sistema di illuminazione.

32, bianco 6000-6500k, 600mA, DC 3V–3.4V, LED 3W

Resistori da 4, 1 ohm – 1W

Convertitore boost da 1, 12A 400W

1, ventola da 40 mm

1, termistore

1, DS3231 per Pi (RTC) o registratore di dati

Cavo da 18 AWG

…ed è così che ho intenzione di utilizzare quei trentadue LED da 3W.

Un LED nella Fase 1, quattro nella Fase 2 e nove nella Fase 3. Gli ultimi diciotto LED accenderanno la Fase 4 e ci porteranno a un totale enorme di 96 watt di luce a circa 2,4 A.

Passaggio 5: circolazione dell'aria e sistema di ventilazione

(Ricordate che l'impianto idraulico ed elettrico non è completo. Queste sono le foto di un mock-up del sistema proposto)

La circolazione è ottenuta con due ventole da 40 mm. Una ventola a spinta che soffia nel 4° Stadio dal condotto nella parte posteriore in alto a sinistra. L'aria fluirà attraverso il 4° stadio e nella parte anteriore del 3° stadio, quindi attraverso il 3° stadio e fuori dalla parte posteriore (sopra e intorno al 1° stadio, attraverso un breve condotto) nella parte posteriore del 2° stadio. Una ventola di estrazione nel condotto sopra il 2° stadio, attirerà l'aria attraverso il 2° stadio e fuori dall'angolo superiore destro anteriore. Completando il viaggio attraverso il sistema di circolazione dell'aria.

La ventilazione della 4a tappa sarà direttamente fuori dalla parete posteriore superiore. Il 3° Stadio si sfogherà anche attraverso la sua parete posteriore superiore. La seconda fase sarà scaricata direttamente dalla parte superiore e la fase di germinazione (Fase 1) sfiaterà dalla parete posteriore, in modo simile alle fasi 3 e 4.

Passaggio 6: sistema idroponico NFT

(La sonda EC, la sonda di temperatura, il sensore di livello del liquido, i tubi per la sostituzione dell'evaporazione dal serbatoio dell'acqua dolce e i tubi che collegano la pompa del pozzetto ai canali, saranno tutti qui nel pozzetto ma non sono stati mostrati in questa foto)

Il sistema include una sump da 9.000+ml/cc, un serbatoio d'acqua dolce da 7.000+ml//cc per la sostituzione dell'evaporazione, una pompa dell'acqua da 12V 800L/ora, uno sterilizzatore UV-C per uccidere qualsiasi alga nell'acqua che entra nel Collettore di flusso regolabile a 8 vie, una torre di aerazione con ventola a flusso opposto per aerare l'acqua che scorre verso il basso dallo stadio 2 e l'acqua di scarico della fase di agitazione, un sensore di livello del liquido, un sensore EC, un sensore di temperatura dell'acqua, una pompa peristaltica che dosa dal serbatoio dei nutrienti, una fase di agitazione che mantiene i nutrienti in soluzione nel serbatoio e cinque canali o canali di crescita. I cinque canali di crescita, la fase di agitazione, la torre di aerazione ricevono acqua dal collettore di flusso regolabile a 8 porte. Quando è necessario eseguire la manutenzione del sistema idroponico, un interruttore di interruzione a doppia emissione (DPST) situato sul pannello anteriore interromperà l'alimentazione via alla pompa dell'acqua, allo sterilizzatore UV-C e al dosatore di nutrienti della pompa peristaltica. Ciò consentirà all'"Utente" di lavorare in sicurezza sul sistema idroponico senza mettere in pericolo se stesso o il raccolto.

Passaggio 7: sistema di consegna automatica dei nutrienti

Sto usando il "Dosatore di nutrienti Arduino automatizzato con ottimizzazione automatica" sviluppato da Michael Ratcliffe per questo progetto. Ho adattato il suo schizzo al mio sistema e hardware e sto utilizzando il "Three Dollar EC - PPM Meter" di Michael come sensore EC.

Informazioni o istruzioni per entrambi questi progetti sono disponibili su: element14, hackaday o michaelratcliffe

Step 8: L'elettronica dei sistemi di automazione

Il sistema di illuminazione utilizzerà un micro controller Arduino, un DS3231 per Pi (RTC), un modulo a 4 relè, quattro resistori da 1 ohm – 1 watt, trentadue LED bianchi da 3 W, un convertitore Boost da 400 W, tre fotoresistenze, un computer da 40 mm ventola e un termistore. Il microcontrollore utilizzerà l'RTC per cronometrare le luci in un ciclo di 12 ore di accensione e 12 ore di spegnimento. Monitorerà i livelli di luce nel 2°, 3° e 4° stadio con fotoresistenze e avviserà con un allarme LED/piezoelettrico, se rileva un livello di luce basso in qualsiasi fase, durante un ciclo di luci accese. La temperatura della scheda driver LED sarà monitorata da un termistore collegato in linea alla ventola da 40 mm e inizierà automaticamente il raffreddamento quando viene rilevato calore sufficiente.

Il sistema di consegna dei nutrienti è stato sviluppato da Michael Ratcliffe. Il sistema utilizza un Arduino Mega, una delle idee della sonda EC di Michael, uno schermo per tastiera LCD 1602, un sensore di temperatura dell'acqua DS18B20, una pompa dosatrice peristaltica da 12 V e un relè optoisolato da 5 V. Ho aggiunto un sensore ottico di livello del liquido. Il sistema monitorerà l'EC e la temperatura dell'acqua e attiverà la pompa peristaltica per dosare i nutrienti secondo necessità. Il microcontrollore monitorerà il livello dell'acqua nel pozzetto e avviserà con un LED/allarme piezoelettrico se la temperatura dell'acqua del pozzetto è oltre l'intervallo impostato dall'utente, se i dati del sensore EC sono oltre l'intervallo impostato dall'utente per un periodo più lungo di quello impostato dall'utente periodo di tempo o se il livello dell'acqua della vasca scende al di sotto del livello impostato dall'utente.

Il sistema di circolazione dell'aria sarà composto da un microcontrollore Arduino, quattro sensori AM2302, sei ventole per computer da 40 mm (due ventole di circolazione dell'aria per il 2°, 3° e 4° stadio e 4 ventole di sfiato), uno sterilizzatore UV-C e sei relè optoisolati da 5 V (per i fan). Il controller monitorerà la temperatura e l'umidità dell'aria in tutte e 4 le fasi e avvierà automaticamente il sistema di circolazione delle due ventole o le ventole di sfiato delle singole fasi secondo necessità per mantenere la temperatura e l'umidità entro gli intervalli impostati dall'utente. Il controller imposterà e controllerà anche i tempi dello sterilizzatore UV-C e manterrà un allarme LED/piezoelettrico nel caso in cui la temperatura o l'umidità superino i livelli impostati dall'utente in una delle 4 fasi.

Passaggio 9: la costruzione

La cassa da 50 cm3, i canali, il serbatoio sostitutivo per l'evaporazione dell'acqua dolce, la torre di aerazione, il condotto di circolazione dell'aria centrale, il cassetto del 1° e 2° stadio, i controventi del tetto (non mostrati) e la maggior parte delle altre strutture di supporto, saranno costruiti da 0,187 " ABS nero. Le tende anteriori per i palchi sono mostrate in pellicola di Mylar sul modello, ma molto probabilmente sarebbero realizzate in acrilico o policarbonato con rivestimento riflettente sul prototipo reale. L'illuminazione (non mostrata ma composta da 4 array di 8 LED da 3 W in serie) sarà montata su un foglio di alluminio di circa 0,125" con tubi di rame da 0,125" saldati sul lato superiore per il raffreddamento a liquido, (che il raffreddamento entrerebbe e uscirà dal retro dell'unità per separare il dispositivo di raffreddamento non correlato al concorso). L'impianto idraulico dell'acqua NTF agli stadi 1 e 2 (non è mostrato in nessuna delle foto ma) verrebbe collegato tramite un collegamento rapido nella parte anteriore del 2° stadio.

Il convertitore boost (mostrato nella foto dell'area di stoccaggio superiore) può essere riposizionato sotto il vassoio di germinazione (Fase 1) per fornire calore aggiuntivo per la germinazione. I sensori di temperatura e umidità AM2302, (non mostrati), saranno posizionati in alto in ogni fase (fuori dal percorso di circolazione dell'aria regolarmente pianificato)

Il design può sembrare non pensare affatto allo spazio,

ma non è così. Il mio sistema NTF qui descritto non è ottimizzato o modificato per lo spazio, ma i sistemi idroponici NTF sono seri contendenti per le esigenze uniche delle colture spaziali in microgravità e ho idee per l'ottimizzazione dello spazio.

Il concorso ci chiedeva di progettare un sistema che facesse crescere più piante in uno spazio definito e automatizzare il più possibile la progettazione.

I progetti selezionati per la Fase 2 dovranno prima far crescere le sue piante sulla terra. Credo che il mio progetto soddisfi tutti i requisiti del concorso e lo faccia rispettando il vero spazio necessario per la crescita delle piante, la circolazione dell'aria, i controlli ambientali automatizzati e una settimana di materiali di consumo per le piante. Il tutto nello spazio di 50 cm3 che ci è stato concesso.

Passaggio 10: per concludere

L'automazione di The GARTH Project riduce l'attenzione necessaria a una volta alla settimana.

Una diminuzione della manutenzione di sette volte rispetto al sistema "VEGGIE".

Sei impianti sono stati avviati settimanalmente nel progetto GARTH.

Un aumento di quattro volte della produzione, rispetto ai sei impianti avviati mensilmente nel sistema “VEGGIE”.

Considero questi cambiamenti Efficaci, Inventivi ed Efficienti.

Spero che lo farai anche tu.

Secondo classificato al concorso Growing Beyond Earth Maker