Spektrálny rast vo vertikálnych farmách

Ako svet udržateľným spôsobom živí svoju neustále rastúcu, stále viac urbanizovanú populáciu? Toto je otázka, na ktorú má odpovedať vertikálne poľnohospodárstvo. Vo vertikálnych farmách sa rastliny pestujú vo vertikálne naskladaných vrstvách na rozdiel od horizontálnych radov, polia sú nahradené opustenými vnútornými priestormi, hydroponické tekuté médium zvyčajne preberá úlohu pôdy a dažďa a LED svetlá plnia úlohu slnka.

Takéto hospodárenie má mnoho výhod. Najzrejmejšia je oveľa menšia stopa. Vertikálne farmy, urobené dobre, môžu v porovnaní s tradičnými farmami zvýšiť výnos až desaťkrát na aker. Keď sú umiestnené v najlepších mestských alebo polomestských lokalitách, znižujú aj priemerné míle s potravinami z približne 1 500 míľ pre tradičnú farmu na iba 43 míľ pre vertikálnu farmu. A čo viac, ich kontrolované vnútorné pestovateľské prostredie znamená, že vertikálne farmy nie sú sužované škodcami a sú prirodzene odolné voči nepriaznivému počasiu – čo je čoraz väčší problém, keďže sú účinky klimatických zmien čoraz zreteľnejšie. A nie sú viazané ani na sezónne a denné cykly, čo znamená, že sú produktívne 24 hodín denne, 7 dní v týždni, 365 dní v roku.

Vďaka týmto a ďalším výhodám sa trh vertikálneho poľnohospodárstva za posledné desaťročie rýchlo rozrástol, pričom trend bude v dohľadnej budúcnosti pokračovať na úrovni 25 % CAGR a obrovské množstvo start-upov, scaleupov a dokonca aj jednorožcov – Bowery Farming so sídlom v USA, AeroFarms and Plenty a nemecká spoločnosť InFarm – orajú svoju vlastnú jedinečnú brázdu.

Prečo teda naše mestské a polomestské oblasti neprekypujú čerstvými výrobkami? Okrem skutočnosti, že vertikálne poľnohospodárstvo je v súčasnosti do značnej miery obmedzené na produkciu bylín, listovej zeleniny a microgreens, hlavným dôvodom sú náklady. Investičné a personálne náklady sú toho súčasťou, ale najväčšie náklady, ktoré spôsobujú, že pestovanie produkcie na vertikálnych farmách je ekonomicky aj environmentálne menej udržateľné ako v skleníkoch alebo na tradičných farmách, je spotreba energie.

„Približne 50 – 70 % energie spotrebovanej na vertikálnej farme pochádza z osvetlenia: LED diód,“ hovorí profesor Leo Marcelis z Wageningen University v Holandsku. “A väčšina zvyšku je na chladenie, ktoré tiež nepriamo súvisí s osvetlením.”

To je dôvod, prečo sa výskumníci a spoločnosti vo vesmíre sústreďujú na iné spôsoby optimalizácie riešení LED osvetlenia pre rast. Čo môže mať najväčší vplyv, je zabezpečiť, aby rastliny čo najefektívnejšie využívali svetlo, ktoré dostávajú. Svetelné spektrum, intenzita a trvanie a poloha osvetlenia, to všetko má priamy vplyv na rastové cykly rastlín a výslednú produkciu.

Po experimentovaní s mnohými z týchto faktorov Marcelis vie, aké zložité je nájsť optimálne nastavenie osvetlenia pre vertikálnu farmu. Z hľadiska svetelného spektra sa zdá, že veľká časť červenej je dôležitá pre rast akejkoľvek rastliny. Dotyk modrej je však kľúčom aj pre pestovanie vegetácie a kvitnutia, a preto je väčšina vertikálnych fariem zaliata ružovo-fialovou žiarou. V niektorých prípadoch môže zohrávať úlohu aj zelená, UV môže zmeniť farbu listov a ďalekočervené svetlo – tradične považované za nepodstatné pre fotosyntézu – spúšťa celý rad dôležitých procesov.

Marcelis tiež zistil, že výnos rastlín je podstatne ovplyvnený intenzitou a trvaním svetla. Vyššia intenzita a dlhšie trvanie prináša viac produkcie, ale len do určitého limitu, ktorý závisí od príslušnej plodiny. Intenzita svetla tiež ovplyvňuje kvalitu produkcie a trvanlivosť. „Napríklad sme robili experimenty so šalátom, kde sme v posledných šiestich dňoch pred zberom veľmi výrazne zvýšili intenzitu svetla,“ vysvetľuje. “Videli sme, že v šaláte bol vyšší obsah cukru a koncentrácia vitamínu C – dôležité pre samotnú rastlinu a najmä pre trvanlivosť, ktorá sa pohybovala od približne 9 dní do 13 dní.”

„Väčšina spoločností robí všetko tak, že udržuje všetko konštantné počas celého dňa a počas celého cyklu rastu,“ pokračuje Marcelis. “Hovoríme, že by sa mali pozrieť na štádium rastu a upraviť spektrum, intenzitu a trvanie tak, aby vyvážili všetky faktory, ktoré vstupujú do výroby produktu prémiovej kvality.”

Profesor Leo Marcelis z Wageningenskej univerzity

Spoločnosť, ktorá uvažuje v podobnom duchu ako Marcelis, je švédsky start-up SweGreen. SweGreen prevádzkuje osem vertikálnych farmárskych jednotiek (približne 40-60 m2) po celom Švédsku a ďalej. Spoločnosť tiež predstavuje nové rastúce platformy len s 5-8 m2 stopa, ktorá by umožnila 80 % európskych supermarketov ponúkať svojim zákazníkom zeleninu vypestovanú v obchodoch. „Osvetlenie je jednou zo zložitých častí, kde sme urobili veľa výskumov, aby sme vytvorili „recept“, ktorý sa delí na rôzne fázy rastu rastlín: keď sú menšie, keď sa presúvajú z jednotky v škôlke do nášho automatizovaného pestovania. platformy; a potom posledné dni, keď sa skutočne zameriavame na úpravy chuti a maximalizáciu biomasy,“ hovorí Sepehr Mousavi, spoluzakladateľ a hlavný riaditeľ pre inovácie SweGreen. „Zavedením tohto receptu v kombinácii so stratégiou inteligentného načasovania a stmievania sme dokázali znížiť spotrebu energie o 20 – 25 % na jednotku.“

Prekvitajúca automatizácia

Hoci je trh s LED osvetlením nasýtený množstvom spoločností – od všeobecných odborníkov ako Signify, GE Current a čínska firma Sanan až po menších špecialistov na vnútorné poľnohospodárstvo, ako sú Kroptek a LST so sídlom v Spojenom kráľovstve a fínska spoločnosť Valoya – inovátorov fotoniky, ktorí sa zaujímajú o rozšírenie do vertikálneho poľnohospodárstva. Je to preto, že všetky znaky poukazujú na to, že vertikálne poľnohospodárstvo sa v blízkej budúcnosti stane plne autonómnym. A na to budú pestovatelia potrebovať údaje z množstva optických a iných technológií.

Americký start-up Iron Ox v malom rozsahu už tento úspech dosiahol. Jeho hydroponická farma sa spolieha na dvoch robotov, z ktorých jeden zbiera podnosy s rastlinami a prepravuje ich a druhý je vo forme robotického ramena, ktoré vykonáva jemné manipulačné úlohy, ako je siatie a presádzanie.

Úplná automatizácia je však v súčasnosti pre komerčné vertikálne farmy stále mimo dosahu. Holandsko je centrom inovácií smerujúcich k tomu, aby sa to stalo realitou. Amsterdamský inštitút pre pokročilé metropolitné riešenia sa napríklad spojil s Wageningenskou univerzitou a vertikálnou farmárskou spoločnosťou Growy – ako aj s rôznymi inovátormi, ako sú Signify a Be-bots – v projekte GrowX 2.0 – ktorého cieľom je vybudovať efektívny, plne robotizovaný a vertikálna farma poháňaná AI v Amsterdame. Tam výskumníci testujú roboty, ktoré využívajú AI a strojové videnie na pestovanie, pestovanie a zber listovej zeleniny.

Hyperspektrálna kamera Specim dokáže zachytiť zmeny v pigmentácii listov alebo prítomnosť makro prvkov, ako je dusík, fosfor a draslík. Kredit: Specim

Taliansky start-up Agricola Moderna je inde v popredí úsilia o nepretržité a podrobné monitorovanie závodu; kľúčom k plnej automatizácii. Ich platforma využíva niekoľko typov senzorov – RGB-D kamery na 3D rekonštrukciu vrchlíka a niekoľko environmentálnych senzorov, ktoré merajú teplotu, intenzitu svetla a CO2 úrovne – a odosiela všetky tieto informácie do centrálnej databázy, kde sa analyzujú a uvádzajú do kontextu. Agricola Moderna tiež testuje užitočnosť hyperspektrálneho zobrazovania.

Zaznamenávaním stoviek pásiem v širokom spektrálnom pásme súčasne umožňuje hyperspektrálne zobrazovanie identifikovať materiály na základe ich chemického zloženia a nie na základe ich viditeľných charakteristík, ako je veľkosť, tvar alebo farba. „S hyperspektrálnou kamerou sme schopní zachytiť jedinečný spektrálny odtlačok materiálu,“ vysvetľuje Minna Törmälä zo spoločnosti Specim, ktorá vyrába hyperspektrálnu kameru Specim FX10, ktorú si Agricola Moderna vybrala pre svoje štúdie.

Snímaním vo viditeľnom až blízkom infračervenom (400 až 1 000 nanometroch) dokáže Specim FX10 presne zachytiť zmeny v pigmentácii listov, prítomnosť makroprvkov, ako je dusík, fosfor a draslík, alebo hladinu antokyánov – pigmentov, ktoré sa nachádzajú v čučoriedkach a malinách, ale aj iné rastliny – z RGB kamier sa nedalo získať takmer žiadna z nich. „Jednoduché algebraické kombinácie hodnôt odrazivosti pri špecifických frekvenciách umožňujú užívateľom spoľahlivo monitorovať parametre a nutričné ​​hodnoty, minimalizovať spotrebu energie a vody a predpovedať sezónu zberu a výnos,“ dodáva Törmälä, ktorý poukazuje na to, že ďalšie produkty Specim sa venujú do ešte väčších detailov: „Ak chcete napríklad študovať bunkovú štruktúru mezofylu, vyžaduje to 700 až 1 300 nanometrov, čo je možné vykonať pomocou fotoaparátu Specim FX17 (rozsah 900 až 1 700 nanometrov).

SweGreen sa tiež zaujíma o hyperspektrálne zobrazovanie. V spolupráci s Mälardalen University sú uprostred projektu, ktorý skúma použitie hyperspektrálnych zobrazovacích kamier na odhalenie reakcií rastlín na rôzne svetelné podmienky, koncentrácie živín, stresy súvisiace so zavlažovaním a ďalšie rastové parametre.

Ale toto je len jedna časť vízie SweGreen do budúcnosti. „Chceme rozšíriť našu automatizáciu a využívať viac robotov,“ hovorí Mousavi. „Ak by sme mohli viac využívať diagnostiku zraku, ak by sme dokázali čítať signály stresu a úzkosti, ak by sme dokázali vytvoriť KPI o výkonnosti rastlín a ak by sme mohli ísť hlbšie do toho, ako vzhľad rastlín ovplyvňuje kvalitu, bolo by to byť dokonalou vecou.”

SweGreen, Agricola Moderna, Growy a väčšina inovátorov vertikálneho poľnohospodárstva sa všetci snažia dosiahnuť rovnaký výkon – pomocou množstva technológií snímania, ktoré generujú údaje pre inteligentný ekosystém vertikálneho poľnohospodárstva s uzavretou slučkou, ktorý optimalizuje produktivitu a kvalitu a zároveň znižuje prevádzkové náklady. Ten, kto to urobí správne, zožne odmenu a začne „novú revolúciu vertikálneho poľnohospodárstva“, ako predpovedal Ray Kurzweil zo spoločnosti Google v roku 2013.

Spektrálny rast vo vertikálnych farmách

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *