Cultivando Mais Alface em Menos Espaço Ou Cultivando Alface No Espaço, (Mais ou Menos): 10 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Esta é uma inscrição profissional para o Growing Beyond Earth, Maker Contest, enviada por meio do Instructables.

Eu não poderia estar mais animado para projetar para a produção de culturas espaciais e postar meu primeiro Instructable.

Para começar, o concurso nos pediu para

“… enviar um Instructable detalhando o projeto e a construção da câmara de crescimento de sua planta que (1) cabe em um volume de 50cm x 50cm x 50cm, (2) contém todos os recursos necessários para sustentar o crescimento da planta, ou seja, luz artificial, um sistema de irrigação, e meios de circulação de ar, e (3) faz uso eficaz e inventivo do volume interior para ajustar e cultivar com sucesso o maior número de plantas possível.”

Depois de ler os requisitos do concurso e as perguntas frequentes, fiz as seguintes suposições no processo de design.

Uma interação planejada semanalmente com “o projeto” por um astronauta seria aceitável e não anularia o aspecto de controle automático nos critérios do concurso.

A PSU para “o projeto” pode ser alojada fora dos 50cm3, já que o ISS forneceria energia para a unidade, se a unidade estivesse no espaço. O resfriamento para os LEDs dentro “do projeto” pode originar-se fora dos 50cm3, já que o ISS pode fornecer resfriamento para a unidade, se a unidade estiver no espaço.

O “usuário” pode ter acesso irrestrito ao topo e aos 4 lados do volume de 50 cm3 para a manutenção semanal planejada, mas não pode excluir problemas não planejados, caso surja um problema não planejado com “o projeto”.

Em seguida, reuni os parâmetros para o concurso

Dados do Projeto

Água: 100 mL / planta / dia (sugerido)

Iluminação: 300-400? Mol / M2 / s dentro do PAR 400-700nm (sugerido)

Ciclo de luz: 12/12

Tipo de luz: LED (sugerido)

Circulação de ar: para 2.35cf / 0.0665m3 (área de crescimento do meu projeto)

Temperatura em ISS: 65 a 80˚F / 18,3 a 26,7 ° C (para referência)

Tipo de planta: alface romana vermelha ‘Outredgeous’

Tamanho da planta madura: 15 cm de altura e 15 cm de diâmetro

Sistema de crescimento: (escolha do designer)

Suprimentos

Vamos precisar de suprimentos

(Essas peças são usadas para prova de conceito, provavelmente NÃO são aprovadas para viagens espaciais)

1 - 0,187”48” x96”Branco ABS

3 - Micro controladores

1 - 1602 display LCD

1 - Escudo do Data Logger para Nano

3 - Resistores de foto

4 - sensores AM2302

1 - sensor de temperatura DS18B20

1 - sensor EC, Nível de líquido óptico de 1 - 15mA 5V

1 - DS3231 para Pi (RTC)

… e mais suprimentos

1 - Bomba dosadora peristáltica

1 - bomba de água 12V

1 - Campainhas piezoelétricas

3 - resistentes a 220 Ohm

1 - chave DPST

1 - Esterilizador UVC 265-275nm

24 - tampas sanitárias de 1½”

1 - Estágio de agitação magnética de líquido / ar

1 - Cabeça de controle de gotejamento, 8 linhas

1 - Tubulação de irrigação por gotejamento

1 - Recipiente de água de reposição

Tubo de PVC 1 - ½ ID

70 - Parafusos para fixação de LEDs

Fio 18 AWG e 22 AWG

1 - Tubulação retrátil

1 - Alumínio para dissipador de calor LED

5 - interruptores táteis de 6 mm de altura

4 - resistores de 1 Ohm, 1 Watt

1 - Pkg de sementes de alface “Outredgeous”

…e mais

Placa de reforço de 1 - 400W

32 - LEDs brancos de 3 W, (6000-6500k)

1 - 24 V / 12 V / 5 V / 3,3 V PSU

Ventiladores de computador 8 - 40 mm

11 - relés opto-isolados de 5 V

10 - 1N4007 diodo flyback

24 - Plugues de lã de rocha

1 - Nutrientes hidropônicos

1 - Recipiente de nutrientes

1 - Lençol Mylar

… e ferramentas

Solvente para colagem

Serra

Serras de buraco

Ferro de solda

Solda

Furar

Brocas

Chaves de fenda

Computador

cabo USB

Software Arduino IDE

Etapa 1: Comparando o Sistema “VEGGIE” Atual

O sistema “VEGGIE” no ISS pode cultivar 6 cabeças de alface em 28 dias (4 semanas). Se o “VEGGIE” funcionasse por 6 meses, (o tempo médio que um astronauta fica a bordo da ISS), cresceria 36 cabeças de alface com 6 cabeças adicionais que tinham duas semanas. Para uma tripulação de 3 pessoas, são vegetais frescos duas vezes por mês.

O Projeto GARTH vai plantar 6 cabeças de alface em 28 dias (4 semanas). MAS.. se funcionasse por 6 meses, cresceria 138 cabeças de alface, com mais 18 cabeças em vários estágios de crescimento. Para uma tripulação de 3, isso significa vegetais frescos 7 vezes e meia por mês, ou quase duas vezes por semana.

Se isso chamar sua atenção … vamos dar uma olhada mais de perto no design

Etapa 2: O Projeto GARTH

Tecnologia de recursos de automação de crescimento para horticultura

(As fotos do Projeto GARTH são de um mock-up em escala real, feito de placa de núcleo de espuma Dollar Store)

O Projeto GARTH maximiza a produtividade através do uso de 4 áreas separadas de crescimento otimizado. Também inclui sistemas de controle automático de iluminação, qualidade do ar, qualidade da água e reposição da água.

32, Luzes LED brancas 6000K fornecem os requisitos PAR sugeridos. Um sistema de dois ventiladores de circulação de ar e um sistema de quatro ventiladores foram incorporados para manter o ambiente interno, e um sistema hidropônico de Película Fina de Nutriente (NTF) automatizado e auto-otimizado foi escolhido para alimentar e monitorar as plantas. A água de reposição da evaporação é mantida em um reservatório separado na área de armazenamento superior perto de um reservatório de nutriente líquido constantemente agitado, necessário para manter o nível de nutrientes no sistema hidropônico sem a ajuda de um astronauta. Toda a energia entra, opera e é distribuída a partir da área de armazenamento superior.

Etapa 3: recursos de design

As quatro áreas de crescimento

1ª fase (germinação), para sementes de 0-1 semanas de idade, aproximadamente 750 cc de espaço de crescimento

2º estágio, para plantas com 1-2 semanas de idade, aproximadamente 3, 600 cc de espaço de crescimento

3º estágio, para plantas com 2-3 semanas de idade, aproximadamente 11.000 cc de espaço de crescimento

4º estágio, para plantas de 3-4 semanas, aproximadamente 45.000 cc de espaço de crescimento

(As áreas do 1º e 2º estágio são combinadas em uma bandeja removível para facilitar o plantio, manutenção e limpeza)

Etapa 4: Sistema de Iluminação

A iluminação era difícil sem acesso a um medidor PAR, felizmente o concurso teve o Sr. Dewitt do Fairchild Tropical Botanic Garden, para fazer perguntas. Ele me indicou gráficos que foram muito úteis e esses gráficos também me levaram a led.linear1. Com os gráficos e o site, consegui calcular minhas necessidades de iluminação e circuitos.

Meu projeto usa 26,4 V de tensão de fonte para executar 4 matrizes de LEDs de 8, 3 watts em série com resistores de 1 ohm e 1 watt. Vou usar uma fonte de 24 V e um conversor Boost para aumentar a corrente constante para 26,4 V. (A bordo da ISS, meu projeto usaria o 27V que está disponível e um conversor Buck para diminuir a tensão e fornecer a corrente constante de 26,4V)

Esta é a lista de peças do sistema de iluminação.

32, LEDs brancos 6000-6500k, 600mA, DC 3V – 3,4V, 3W

4, 1 ohm - resistores de 1W

Conversor Boost 1, 12A 400W

Ventilador de 1, 40 mm

1, termistor

1, DS3231 para Pi (RTC) ou datalogger

Fio 18 AWG

… E é assim que pretendo usar esses trinta e dois LEDs de 3W.

Um LED no Estágio 1, quatro no Estágio 2 e nove no Estágio 3. Os últimos dezoito LEDs iluminarão o Estágio 4 e nos levarão a um total impressionante de 96 watts de luz a aproximadamente 2,4 amperes.

Etapa 5: Circulação de Ar e Sistema de Ventilação

(Lembre-se de que o encanamento e a fiação elétrica não estão completos. Estas são as fotos de uma maquete do sistema proposto)

A circulação é realizada com dois ventiladores de 40 mm. Uma ventoinha que sopra para o 4º estágio a partir do duto na parte superior esquerda traseira. O ar fluirá através do 4º estágio e na frente do 3º estágio, então através do 3º estágio e saindo pela parte traseira (para cima e ao redor do 1º estágio, por meio de um duto curto) para a parte traseira do 2º estágio. Um ventilador de tração no duto acima do 2º estágio puxará o ar através do 2º estágio e para fora do canto superior direito. Completando a viagem pelo sistema de circulação de ar.

A ventilação do 4º estágio será diretamente para fora da parede superior traseira. O 3º estágio também será ventilado pela parede superior traseira. O 2º estágio será ventilado diretamente pela parte superior e o estágio de germinação (estágio 1) irá ventilar para fora da parede posterior, semelhante aos estágios 3 e 4.

Etapa 6: Sistema Hidropônico NFT

(A sonda EC, sonda de temperatura, sensor de nível de líquido, mangueiras para substituição de evaporação do reservatório de água doce e mangueiras conectando a bomba de depósito aos canais, todos estarão localizados aqui no depósito, mas não foram mostrados nesta foto)

O sistema inclui um reservatório de 9, 000 + ml / cc, um reservatório de água doce de 7, 000 + ml // cc para substituição de evaporação, uma bomba de água de 12 V 800 L / hora, um esterilizador UV-C para matar qualquer alga na água que entra no Coletor de fluxo ajustável de 8 portas, uma torre de aeração com ventilador de fluxo oposto para aerar a água que flui do Estágio 2 e água de exaustão do estágio de agitação, um sensor de nível de líquido, um sensor de EC, um sensor de temperatura da água, uma bomba peristáltica dosando a partir do reservatório de nutrientes, um estágio de agitação que mantém os nutrientes em solução no reservatório e cinco calhas ou canais de crescimento. Os cinco canais de crescimento, o estágio de agitação e a torre de aeração recebem água do coletor de fluxo ajustável de 8 portas. Quando o sistema hidropônico precisa de manutenção, um interruptor de corte de duplo pólo único (DPST) localizado no painel frontal desligará a energia para a bomba de água, esterilizador UV-C e dosador de nutrientes com bomba peristáltica. Isso permitirá que o "Usuário" trabalhe com segurança no sistema hidropônico sem colocar a si ou a cultura em risco.

Etapa 7: Sistema de distribuição automática de nutrientes

Estou usando o “Dosador Auto-otimizador de Nutrientes Arduino” desenvolvido por Michael Ratcliffe para este projeto. Eu adaptei seu esboço para meu sistema e hardware e estou utilizando o “Three Dollar EC - PPM Meter” de Michael como meu sensor de EC.

Informações ou instruções para ambos os projetos podem ser encontradas em: element14, hackaday ou michaelratcliffe

Etapa 8: A Eletrônica dos Sistemas de Automação

O sistema de iluminação usará um microcontrolador Arduino, um DS3231 para Pi (RTC), um módulo de 4 relés, quatro resistores de 1 ohm - 1 watt, trinta e dois LEDs brancos de 3W, um conversor Boost de 400W, três resistores fotográficos, um computador de 40 mm ventilador e um termistor. O microcontrolador usará o RTC para cronometrar as luzes em um ciclo de 12 horas acesas e 12 horas apagadas. Monitorará os níveis de luz no 2º, 3º e 4º estágios com fotorresistências e alertará com alarme LED / piezo, caso detecte nível de luz baixo em algum estágio, durante um ciclo de luzes. A temperatura da placa do driver de LED será monitorada por um termistor conectado em linha ao ventilador de 40 mm e começará a resfriar automaticamente quando for detectado calor suficiente.

O sistema de entrega de nutrientes foi desenvolvido por Michael Ratcliffe. O sistema usa um Arduino Mega, uma das idéias de sonda EC de Michael, um escudo do visor do teclado LCD 1602, um sensor de temperatura da água DS18B20, uma bomba doseadora peristáltica de 12 V e um relé opto-isolado de 5 V. Eu adicionei um sensor óptico de nível de líquido. O sistema monitorará a CE e a temperatura da água e ativará a bomba peristáltica para dosar os nutrientes conforme necessário. O microcontrolador monitorará o nível de água no reservatório e alertará com um alarme LED / piezo se a temperatura da água do reservatório estiver além da faixa definida pelo usuário, se os dados do sensor EC estiverem além da faixa definida pelo usuário por mais tempo do que a definida pelo usuário período de tempo ou se o nível de água do reservatório cair abaixo do nível definido pelo usuário.

O sistema de circulação de ar consistirá em um microcontrolador Arduino, quatro sensores AM2302, seis ventiladores de computador de 40 mm (dois ventiladores de circulação de ar para o 2º, 3º e 4º estágios e 4 ventiladores), um esterilizador UV-C e seis relés opto-isolados de 5V (para os fãs). O controlador monitorará a temperatura e a umidade do ar em todos os 4 estágios e iniciará automaticamente o sistema de circulação de dois ventiladores ou os ventiladores de ventilação de estágio individual conforme necessário para manter a temperatura e a umidade dentro das faixas definidas pelo usuário. O controlador também definirá e controlará o tempo do esterilizador UV-C e manterá um alarme LED / piezo no caso de a temperatura ou umidade ultrapassar os níveis definidos pelo usuário em qualquer um dos 4 estágios.

Etapa 9: a construção

A caixa de 50 cm3, os canais, o reservatório de substituição de evaporação de água doce, a torre de aeração, o duto de circulação de ar central, a gaveta do 1º e do 2º estágio, as travas do telhado (não mostradas) e a maioria das outras estruturas de suporte, serão construídos a partir de 0,187” ABS preto. As cortinas frontais para os palcos são mostradas em filme Mylar no modelo, mas provavelmente seriam feitas de acrílico ou policarbonato com revestimento reflexivo no protótipo real. A iluminação (não mostrada, mas consistindo em 4 matrizes de 8 LEDs de 3 W em série) será montada em uma folha de alumínio de aproximadamente 0,125 "com tubulação de cobre de 0,125" soldada no lado superior para resfriamento líquido, (esse resfriamento entraria e sairia pela parte traseira da unidade para separar o refrigerador não relacionado ao concurso). O encanamento de água NTF para os Estágios 1 e 2 (não é mostrado em nenhuma das fotos, mas) seria conectado por meio de uma conexão rápida na frente do 2º Estágio.

O conversor de reforço (mostrado na foto da área de armazenamento superior) pode ser realocado embaixo da bandeja de germinação (Estágio 1) para fornecer calor adicional para a germinação. O AM2302, sensores de temperatura e umidade (não mostrados), serão localizados no alto de cada estágio (fora do caminho de circulação de ar planejado regularmente)

O design pode parecer não estar pensando no espaço,

Mas esse não é o caso. Meu sistema NTF descrito aqui não é otimizado ou modificado para o espaço, mas os sistemas hidropônicos NTF são concorrentes sérios para as necessidades exclusivas das culturas espaciais na microgravidade e tenho ideias para a otimização do seu espaço.

O concurso nos pediu para projetar um sistema que cultivasse mais plantas em um espaço definido e automatizar o projeto o máximo possível.

Os projetos selecionados para a Fase 2 precisarão cultivar plantas nela primeiro. Acredito que meu projeto atende a todos os requisitos do concurso e ao mesmo tempo respeita o verdadeiro espaço necessário para o crescimento da planta, circulação de ar, controles ambientais automatizados e semanas de consumíveis para as plantas. Tudo dentro do espaço de 50 cm3 que nos foi dado.

Etapa 10: para encerrar

A automação do Projeto GARTH reduz a atenção necessária para uma vez por semana.

Uma diminuição de sete vezes na manutenção, em comparação com o sistema "VEGGIE".

Seis fábricas começaram semanalmente no Projeto GARTH.

Um aumento de quatro vezes na produção, em comparação com seis plantas iniciadas mensalmente no sistema “VEGGIE”.

Eu considero essas mudanças eficazes, inventivas e eficientes.

Eu espero que você também.

Vice-campeão do concurso Growing Beyond Earth Maker