Технология будущего из прошлого. Гидропоника

Землю населяют около 7,7 млрд людей. Каждый день прирост составляет около 230 тысяч. При этом 800 млн человек испытывает нехватку пищи каждый день. Я не буду призывать вас: "Давайте кушать меньше, чтобы и другие смогли поесть!" Потому что это бред сумасшедшего. Трудность нехватки еды не в чрезмерном потреблении в развитых странах, а в отсутствии нормальных условий для выращивания пищи в бедных. Отсутствие условий связано с большими пустынными территориями, как в Нигере (меня же не забанят, да?); постоянными военными конфликтами, как в ЦАР; засухой и саранчой, как на Мадагаскаре. На эти трудности наслаивается сокращение пахотных земель по всей планете. Возникает вопрос: где выращивать еду, если места становится всё меньше? Решением этой сложной задачи может стать гидропоника.

Практическое применение гидропоника получила задолго до формирования теоретической базы знаний об этом методе. Племена Южной Америки и Мексики уже в 1100 году применяли плоты из тростника, на которые укладывалась грязь из вулканической породы, и высаживались растения. Эти плоты сплавляли к ближайшим озерам, вода в которых была необходимой температуры. Минеральные вещества из грязи постепенно переходили в раствор и становились доступными для питания растений. Подобные сооружения находили и в других частях света. В 1275 году Марко Поло встретил плавучие сады в Китае. Точная информация о первооткрывателях этой технологии не известна, но на сегодняшний день это самые старые гидропонные сооружения известные истории.

Основателем современной гидропоники считается Уильям Ф. Герик. Он ввёл термин "гидропоника" и доказал возможность выращивания разных видов растений в ёмкостях с питательным раствором. На его технологии во время Второй Мировой войны создали первое промышленное воплощение гидропоники. Во время тихоокеанской кампании армия США столкнулась с трудностями при возделывании пищи на местных скалистых и пересыщенных солями почвах. Транспортировка пищи в отдалённые уголки была очень дорогой и нецелесообразной идеей, также сложность представляла японская авиация, которая периодически нападала на транспортные конвои. Поэтому в срочном порядке на острове Уэйк были созданы гидропонные плантации, которые еженедельно приносили 20 кг помидоров, 10 кг фасоли, 20 кг кукурузных початков и 20 кг зелёного салата. Опыт оказался успешным, поэтому такие же плантации создали на авиабазе Хаббания в Ираке и в богатом нефтью, но не едой Бахрейне.

Довольно долго представления о питании растений складывались на ошибочных суждениях Аристотеля. В своих трудах он утверждал, что растения питаются органическими веществами и лишь обеспечивают перераспределение органики. Только в XVII веке Иоганн Баптист ван Гельмонт провёл опыт, который поставил под сомнение представления Аристотеля. В XVIII веке Джозеф Пристли и Ян Ингенгауз открыли миру явление дыхания растений и усвоение углекислого газа. Окончательное опровержение этой теории в 1840 г. представил в своей книге немецкий агрохимик Юстус фон Либих. Он писал следующее: "Растительные организмы, или, следовательно, органические соединения, являются средством питания и поддержания жизни людей и животных. Источником питания растений, напротив, является исключительно неорганическая природа".

Гидропонику от традиционного земледелия отличает то, что растения могут расти на инертной подложке (керамзит, минеральная вата, кокосовый войлок), которая обеспечивает физическую опору растению (но не питание!). Питание растений обеспечивает водно-солевой раствор, рецептура которого подбирается к сортам растений. Однако раствор для салата подойдёт и для помидоров, это в небольшой степени повлияет на вкус.

В тепличных условиях приходится учитывать тонкости, которые в природе происходят самопроизвольно. В природе дождевая вода до того как упадёт на землю растворяет кислород, после чего насыщает кислородом корни растений. Растения без кислорода погибнут. Им как и животным он необходим для дыхания. Поэтому при выращивании растений гидропоникой важно обеспечивать корни постоянным притоком кислорода. Кроме того, агрохимики выявили зависимость между объёмом поступающего кислорода и темпами роста растений чем больше кислорода, тем активнее рост.

Что ещё важно при выращивании растений? Свет. Растения - это единственные организмы способные получать энергию напрямую от света (привет, протоссы!). Причём облучение узким спектром даст слабое не жизнеспособное растение. Каждое растение облучается определённым световым потоком, причём этот спектр меняется при переходе от вегетационного периода к стадии цветения. Обычно это смещение общей температуры света с 6500 К к 2700 К соответственно. В вегетационный период используют LED-освещение, а при цветении ДНат-лампы.

Агроинженеры за столетнюю современную историю технологии придумали множество её разновидностей. Наиболее простой вариант - это системы периодического затопления. Обычно её применяли на заре промышленного освоения технологии. Идея заключается в периодическом затоплении горшка с растением питательным раствором и последующего его опорожнения. При вытекании раствора создавалась зона пониженного давления, что позволяло обновить воздух и повысить содержание кислорода. Недостатками системы было обязательное постоянное присутствие человека, потому что цикл должен повторятся довольно часто. Также данный вариант не сильно масштабировался, поэтому большого распространения в промышленности он не получил.

Использование технологий, в которых количество растворённого кислорода увеличилось, стало логическим продолжением прошлых идей. Созданная Алленом Купером в 1960-х техника питательного слоя учла недостатки предыдущей системы, упор был сделан на насыщение раствора кислородом и масштабируемость. Устройство представляет собой немного наклонённый жёлоб с отверстиями, распределёнными через равные промежутки. В отверстия вставляются кубики минеральной ваты с укоренившимися растениями. Из бака снизу по трубе поступает питательный раствор к противоположному концу желоба. Раствор образует тонкую плёнку жидкости, увлажняет субстрат и обеспечивает насыщение корней кислородом. Большая площадь соприкосновения с воздухом позволяет растворится значительному объёму кислорода. Раствор из желоба стекает обратно в бак и возвращается в цикл.

Параллельно с предыдущей технологией развивались системы капельного орошения. Она получила распространение благодаря своей простоте и дешевизне. В лотки с растениями по капиллярам поступает раствор, а его излишки стекают по установленному под растениями желобу. Однако эта система имеет и минусы. Кубики периодически приходится промывать чистой водой, чтобы смыть закристаллизовавшиеся соли на подложке. На это уходит много воды, что не слишком экономично.

Наиболее современная и практически применимая технология называется аэро-гидропоника. Устройство системы похоже на питательный слой, но с одним отличием. Раствор в данном случае не поступает через желоб, а распыляется несколькими форсунками. За счёт этого образуется ещё большая поверхность соприкосновения с воздухом, следовательно к корням поступает ещё больше кислорода.

Эту технологию ошибочно называют аэропоникой. В аэропонике раствор распыляется при помощи ультразвуковых распылителей, которые разбивают частички воды до нескольких микрометров. Таким образом питательные вещества проникают сразу в корень. В теории это звучало отлично, но на практике мембраны, создающие колебания, быстро обрастают солями. В результате распыление прекращается, а растения не получают пищу и кислород.

Но это лишь база гидропоники. Современные исследования направлены на автоматизацию и укрупнение гидропонных технологий. Это установки в виде колеса с освещением в центре карусели.

A и V-образные стеллажи, увеличивающие общий выход продукции с 1 метра квадратного. Или ещё лучше: многоэтажные гидропонные установоки.

Самый яркий пример использования гидропоники - это пищевая промышленность Нидерландов. Нидерланды крупнейший поставщик продовольствия в мире, который незначительно уступает по объёмам производства только США. Однако площадь Голландии 42 508 квадратных километра, а площадь США в 231 раз больше.

Как?! Гидропоника и высокоэффективное земледелие. Более половины территории страны используется для сельского хозяйства. Голландия мировой лидер по производству фруктов, картофеля, лука и вторая по экспорту овощей. Большинство семян производимых в мире также получают в Нидерландах.

Радует, что в России гидропоника тоже начала быстро развиваться. Создатель "Alawar" Александр Лысковский наигравшись в "Весёлую ферму" решил создать настоящую. iFarm Project совсем недавно привлёк миллионные инвестиции.

Фермы строятся в формате модульного конструктора с набором унифицированных расходных материалов (семена, удобрения, датчики). Их можно разместить в пустующих складах, цехах заводов, подвалах и на крышах зданий. Каждый объект подключен к единой облачной системе управления параметрами выращивания и единой системе организации распределенного сбыта.

Одна ошибка может убить весь урожай.

Бурное развитие гидропоники не оставит нас в будущем голодными (наверно) и позволит отведать лучших фруктов и овощей. Спасибо за внимание.

Статья подготовлена на основе книги Уильяма Тексье "Гидропоника для всех"

#лонг