Гидропоника и городское сельское хозяйство

Выращивание растений в воздушной среде: Аэропоника

Аэропоника: выращивание растений без почвы в воздушной среде. Технология использует питательный раствор для корней, обеспечивая быстрый рост и урожайность.

18 мин чтения

100%

Источник: Aeroponics — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Процесс выращивания растений в тумане

Аэропоника – это процесс выращивания растений в воздушной или туманной среде, исключающий необходимость в почве или другом субстрате. Термин "аэропоника" происходит от древнегреческих слов: aer (воздух) и ponos (труд, усилия). Аэропоника относится к категории гидропоники, поскольку вода используется для доставки питательных веществ к растениям.

Методы

Основной принцип аэропонного выращивания заключается в подвешивании растений в закрытой или полузакрытой среде, при этом их свисающие корни и нижние стебли опрыскиваются обогащенным питательными веществами водным раствором в виде мелкодисперсного распыла или тумана. Верхняя часть растения, включая листья и крону, именуемая "кроной" (или "листвой"), простирается над ними. Конструкция поддержки растений обеспечивает разделение корней. Для минимизации трудозатрат и расходов часто используют вспененный полимер с закрытыми ячейками, который сжимают вокруг нижнего стебля и вставляют в отверстие в аэропонном блоке. Для более крупных растений применяют шпалеры для поддержки веса растительной массы и плодов. Цель состоит в создании среды, свободной от вредителей и болезней, что позволяет растениям активно развиваться и расти быстрее, чем при выращивании в субстрате. Однако, поскольку большинство аэропонных систем не полностью изолированы от внешней среды, вредители и болезни все еще могут представлять угрозу. Контролируемая среда способствует ускоренному развитию растений, улучшению их здоровья, росту, цветению и плодоношению различных видов и сортов. Ввиду чувствительности корневой системы, аэропонику часто комбинируют с традиционной гидропоникой, которая служит резервным источником питания и воды в случае отказа аэропонной системы, выполняя роль аварийного "спасателя урожая". Высокоэффективная аэропоника подразумевает доставку питательных веществ к корням с использованием форсунок, создающих туман с размером частиц в диапазоне 20-50 микрометров. Это достигается с помощью диафрагменного насоса высокого давления, работающего при давлении около 80 фунтов на квадратный дюйм (550 кПа).

Увеличение воздействия воздуха

Воздушные культуры обеспечивают максимальное воздействие воздуха для оптимального роста растений. Материалы и устройства, удерживающие и поддерживающие растения, выращенные аэропонным способом, должны быть полностью свободны от болезней или патогенов. Важнейшей характеристикой настоящей аэропонной культуры и аппарата является минимальное количество поддерживающих элементов. Такая конструкция обеспечивает максимальный приток воздуха вокруг растения, минимизируя контакт между растением и опорной структурой. При длительном аэропонном выращивании крайне важно обеспечить неограниченный рост корневой системы, позволяющий расширение корней, беспрепятственный доступ к чистой воде, достаточный воздухообмен и отсутствие болезней. Изолирующий характер аэропонных систем позволяет исследователям избежать осложнений, возникающих при изучении этих инфекций в почвенных культурах.

Гидроатомная обработка воды и питательных веществ

Аэропоническое оборудование использует распылители, туманообразователи, форсунки или другие устройства для создания мелкодисперсного тумана питательного раствора для доставки питательных веществ к корням растений. Аэропонные системы обычно представляют собой замкнутые системы, предназначенные для обеспечения макро- и микросреды, поддерживающих стабильные и воспроизводимые воздушные культуры. Для облегчения распыления и туманообразования в аэропонных системах было разработано несколько изобретений. Размер капли воды критически важен для развития корней в аэропонной среде. В коммерческих установках используется 360° гидроатомное распыление, которое использует давление воздуха для покрытия больших площадей корней. Вариация метода туманообразования, известная как фогпоника, использует ультразвуковые туманообразователи для распыления питательных растворов в аэропонных устройствах низкого давления. Размер капли воды играет жизненно важную роль в поддержании аэропонного роста. Слишком крупные капли воды могут ограничить доступ кислорода к корневой системе. И наоборот, чрезмерно мелкие капли воды, генерируемые ультразвуковыми туманообразователями, могут привести к избыточному росту корневых волосков без развития боковой корневой системы, необходимой для устойчивого роста в аэропонной системе. В ходе своих исследований команда обнаружила, что, измеряя концентрацию и объемы входящих и выходящих растворов, они могут точно рассчитать скорость поглощения питательных веществ. Для подтверждения своих результатов они сравнили их с измерениями изотопов азота. После проверки их аналитического метода, Barak и др. приступили к сбору дополнительных данных, специфичных для клюквы. Это включало изучение суточных колебаний в поглощении питательных веществ, исследование корреляции между поглощением аммония и выходом протонов, а также изучение взаимосвязи между концентрацией ионов и поглощением. Эти результаты подчеркивают потенциал аэропоники не только как ценного исследовательского инструмента для изучения поглощения питательных веществ, но и как средства мониторинга здоровья растений и оптимизации выращивания сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях. Атомизация при давлении, превышающем 65 фунтов на квадратный дюйм (450 кПа), повышает биодоступность питательных веществ. Следовательно, концентрацию питательных веществ необходимо значительно снизить, чтобы предотвратить ожоги листьев и корней. Стоит отметить крупные капли воды на фотографии справа, которые указывают на то, что цикл подачи может быть слишком длинным или цикл паузы слишком коротким. Оба сценария препятствуют развитию боковых корней и корневых волосков. Оптимальные результаты достигаются при максимально коротких циклах подачи, при которых корни остаются слегка влажными, но не чрезмерно сухими. Типичный цикл подачи/паузы составляет менее 2 секунд подачи, за которыми следует примерно 1,5-2 минуты паузы, поддерживаемой непрерывно. Однако при использовании системы-аккумулятора время цикла может быть еще больше сокращено до менее чем примерно 1 секунды подачи и около 1 минуты паузы.

Aeroponic equipment employs sprayers, misters, foggers, or other devices to create a fine mist of solution for delivering nutrients to plant roots. Aeroponic systems are typically closed looped systems designed to provide macro and micro environments that sustain reliable and consistent air cultures. Several inventions have been developed to facilitate aeroponic spraying and misting. The size of the water droplet is critical for root development in an aeroponic environment. In commercial applications, a 360° hydro atomizing spray is used, which utilizes air pressure misting to cover large areas of roots. A variation of the mist technique, known as fogponics, utilizes ultrasonic foggers to mist nutrient solutions in low pressure aeroponic devices. Water droplet size plays a vital role in maintaining aeroponic growth. Water droplets that are too large can limit the availability of oxygen to the root system. Conversely, excessively fine water droplets generated by ultrasonic misters can lead to excessive root hair growth without developing a lateral root system necessary for sustained growth in an aeroponic system. In their research, the team found that by measuring the concentrations and volumes of input and efflux solutions, they could accurately calculate the nutrient uptake rate. To validate their findings, they compared the results with N isotope measurements. Once their analytical method was verified, Barak et al. proceeded to gather additional data specific to cranberries. This included studying diurnal variations in nutrient uptake, examining the correlation between ammonium uptake and proton efflux, and exploring the relationship between ion concentration and uptake. These findings highlight the potential of aeroponics not only as a valuable research tool for studying nutrient uptake but also as a means to monitor plant health and optimize crop cultivation in closed environments. Atomization at pressures exceeding 65 pounds per square inch (450 kPa) increases the bioavailability of nutrients. Consequently, nutrient strength must be significantly reduced to prevent leaf and root burn. It's worth noting the large water droplets in the photo on the right, which indicate that the feed cycle may be too long or the pause cycle too short. Both scenarios discourage lateral root growth and root hair development. Optimal results are achieved when feed cycles are as short as possible, with roots remaining slightly damp but never excessively dry. A typical feed/pause cycle is less than 2 seconds of feeding followed by approximately 1.5 2 minutes of pause, maintained continuously. However, when an accumulator system is incorporated, cycle times can be further reduced to less than approximately 1 second of feeding and around 1 minute of pause.

Как инструмент исследования

Вскоре после разработки аэропоника зарекомендовала себя как ценный исследовательский инструмент, предоставляя ученым неинвазивный метод изучения развития корней. Эта инновационная технология расширила возможности проведения экспериментов, предлагая большее количество параметров и более широкий спектр экспериментальных условий. Точный контроль уровня влажности в корневой зоне и подачи воды делает аэропонику особенно подходящей для изучения водного стресса. К. Хабик оценил аэропонику как способ стабильного получения растений с минимальным водным стрессом, что может быть использовано в экспериментах по физиологии засухи или затопления. Аэропоника является идеальным инструментом для изучения морфологии корней. Отсутствие субстрата позволяет исследователям легко получить доступ ко всей неповрежденной корневой структуре, не вызывая повреждений, которые могут возникнуть при извлечении корней из почвы или субстрата. Отмечено, что аэропоника позволяет получать более естественные корневые системы по сравнению с гидропоникой.

Терминология

Аэропоническое выращивание предполагает выращивание растений в воздушной среде, что позволяет им развиваться и расти естественным образом.

История

В 1911 году Арциховский, Владимир Мартынович опубликовал статью под названием "О воздушных культурах растений" в журнале "Опытная агрономия". В этой статье он представил свой метод проведения физиологических исследований корневых систем путем распыления различных веществ в окружающий воздух, который теперь известен как метод аэропоники. Арциховский разработал первые аэропонные системы и продемонстрировал их эффективность для выращивания растений. В 1942 году У. Картер провел пионерские исследования по выращиванию в воздушной среде и описал метод выращивания растений в водяном паре для облегчения изучения корней. С 2006 года аэропоника широко используется в сельском хозяйстве во всем мире. В 1944 году Л. Клоц сделал важное открытие, опрыскивая цитрусовые растения туманом, что облегчило его исследования болезней, поражающих корни цитрусовых и авокадо. В 1952 году Г. Ф. Трауэлл успешно вырастил яблони, используя технику распыления. Устройство GTi имело систему с открытым циклом, управляемую микрочипом. Оно подавало высокодавленный гидроатомизированный питательный спрей в аэропонную камеру. Машину Genesis можно было подключить к водопроводному крану и электрической розетке, обеспечивая необходимые ресурсы для работы, а также стимулируя рост корней и растений в целом благодаря поступлению питательных веществ через аэропонную систему (Santos and Fisher, 2009). Кроме того, отсутствие корневой среды снижает риск заболеваний корней (Mehandru et al., 2014). Аэропоника играет решающую роль в размножении растений с низкой приживаемостью при вегетативном размножении, растений с важными лекарственными свойствами, растений с высоким спросом, а также в создании новых сортов конкретных видов растений. Например, Leptadenia reticulata, важное лекарственное растение с низкими показателями размножения как семенами, так и черенками,

Аэропоника является более выгодной альтернативой традиционному методу использования верхних опрыскивателей (Peterson et al., 2018). Она демонстрирует более высокий процент успеха по сравнению с верхними опрыскивателями, которые имеют недостатки, такие как потребность в больших объемах воды, потенциальная антисанитария, неравномерное покрытие туманом и возможное вымывание питательных веществ с листьев (Peterson et al., 2018). В 1982 году Л. Нир в Израиле разработал патент на аэропонное устройство, которое использовало сжатый воздух низкого давления для подачи питательного раствора к подвешенным растениям, удерживаемым пенопластом внутри больших металлических контейнеров. В 1976 году британский исследователь Джон Превер провел серию аэропонных экспериментов в Великобритании, где салат выращивали от семян до созревания за 22 дня с использованием труб из полиэтиленовой пленки. Капли тумана, используемые в этих экспериментах, генерировались оборудованием, поставляемым компанией Mee Industries из Калифорнии. В сотрудничестве с Джоном Превером коммерческий производитель Kings Nurseries с острова Уайт использовал другую конструкцию аэропонной системы в 1984 году для выращивания клубники. Клубника давала обильный урожай, который высоко ценили покупатели, особенно пожилые люди, которые ценили чистоту, качество и вкус фруктов, а также удобство сбора без наклонов. В 1983 году Р. Стонер подал патент на первый микропроцессорный интерфейс, предназначенный для подачи водопроводной воды и питательных веществ в закрытую аэропонную камеру из пластика. Стонер впоследствии основал несколько компаний, занимающихся исследованиями и разработками аэропонного оборудования, интерфейсов, биоконтроля и компонентов для коммерческого производства аэропонных культур. В 1990-х годах компания General Hydroponics [Europe] (GHE) попыталась внедрить аэропонику на рынок хобби-гидропоники и представила систему Aerogarden. Хотя Aerogarden не соответствовал критериям "настоящей" аэропоники, поскольку производил капли, а не мелкий туман, он создал спрос на аэропонное выращивание на рынке хобби. Различие между аэропоникой туманом и аэропоникой каплями стало менее четким в глазах многих. Однако британская компания Nutriculture провела испытания настоящей аэропоники туманом, которые показали положительные результаты по сравнению с традиционными методами выращивания, такими как техника питательной пленки (NFT) и Ebb & Flood. Несмотря на недостатки стоимости и обслуживания, Nutriculture разработала масштабируемую, простую в использовании систему аэропоники капельного типа под названием Amazon, признав, что лучших результатов можно добиться, размножая растения в их фирменном аэропонном пропагаторе X stream, а затем пересаживая их в специально разработанную систему выращивания аэропоники капельного типа.

Aeroponics serves as a more advantageous alternative to the traditional method of using overhead misters (Peterson et al., 2018). It boasts a higher success rate compared to overhead misters, which have drawbacks such as the need for large volumes of water, potential unsanitary conditions, uneven misting coverage, and possible leaching of foliar nutrients (Peterson et al., 2018). In 1982, L. Nir in Israel developed a patent for an aeroponic apparatus that utilized compressed low pressure air to deliver a nutrient solution to suspended plants held by styrofoam inside large metal containers. In 1976, British researcher John Prewer conducted a series of aeroponic experiments in the UK, where lettuces were grown from seed to maturity in 22 days using polyethylene film tubes. The fog droplets used in these experiments were generated by equipment supplied by Mee Industries of California. In collaboration with John Prewer, a commercial grower named Kings Nurseries on the Isle of Wight used a different design of aeroponics system in 1984 to grow strawberry plants. The strawberries flourished, yielding a bountiful crop that was highly appreciated by customers, especially the elderly, who valued the cleanliness, quality, and flavor of the fruit, as well as the convenience of picking it without stooping. In 1983, R. Stoner filed a patent for the first microprocessor interface designed to deliver tap water and nutrients into an enclosed aeroponic chamber made of plastic. Stoner subsequently established several companies dedicated to researching and advancing aeroponic hardware, interfaces, biocontrols, and components for commercial aeroponic crop production. In the 1990s, General Hydroponics [Europe] (GHE) attempted to introduce aeroponics to the hobby hydroponics market and introduced the Aerogarden system. Although the Aerogarden did not meet the criteria of "true" aeroponics as it produced droplets instead of a fine mist, it created a demand for aeroponic growing in the hobby market. The distinction between mist aeroponics and droplet aeroponics became blurred in the eyes of many. However, a UK firm called Nutriculture conducted trials of true mist aeroponics, which showed positive results compared to traditional growing techniques like Nutrient Film Technique (NFT) and Ebb & Flood. Despite the drawbacks of cost and maintenance, Nutriculture developed a scalable, easy to use droplet aeroponic system called the Amazon, acknowledging that better results could be achieved by propagating plants in their branded X stream aeroponic propagator and then transferring them to the specially designed droplet aeroponic growing system.

Пищевые продукты, выращенные аэропонически

В 1986 году Стоунер достиг значительного рубежа, став первым человеком, успешно выведшим на рынок свежие продукты, выращенные методом аэропоники, через национальную сеть продуктовых магазинов. Его достижение привлекло внимание, и его пригласили на интервью на NPR, где он подчеркнул важность аэропоники с точки зрения экономии воды как в современном сельском хозяйстве, так и в освоении космоса. В рамках миссии "Спутник-4" были доставлены семена пшеницы, гороха, кукурузы, лука-резанца и Nigella damascena, а клетки Chlorella pyrenoidosa были выведены на орбиту на борту миссии "Дискавери-17". После этих первых попыток эксперименты с растениями проводились в различных миссиях с участием Бангладеш, Китая и совместных советско-американских проектов, включая Biosatellite II, Skylab 3 и 4, Apollo Soyuz, "Спутник", "Восток" и "Зонд". Первоначальные результаты исследований пролили свет на то, как невесомость влияет на ориентацию корней и побегов (Halstead и Scott, 1990).

Биоконтроль в космосе

В 1996 году исследования Ричарда Стоунера в области органического контроля заболеваний (ODC) получили финансирование от НАСА. Целью было разработать натуральное жидкое биоконтрольное средство для гидропонных систем замкнутого типа, способное предотвращать болезни растений и повышать урожайность без использования пестицидов. К 1997 году НАСА провело эксперименты по биоконтролю с использованием раствора ODC, разработанного Стоунером. Эксперименты проводились с применением технологии GAP компании BioServe Space Technologies, которая включала в себя миниатюрные камеры для выращивания. Семена бобов обрабатывались раствором ODC в трех повторностях экспериментов, проведенных на борту космической станции «Мир», в Космическом центре Кеннеди и в Университете штата Колорадо в условиях полной темноты для исключения света как переменной. Основной целью эксперимента НАСА было изучение преимуществ биоконтроля. Результаты экспериментов НАСА с бобами в замкнутой среде, проведенных на космической станции «Мир» и шаттле, подтвердили, что ODC способствует увеличению скорости прорастания, улучшению всхожести, усилению роста и активации естественных механизмов защиты растений от болезней. Хотя ODC изначально разрабатывался для НАСА, его применение не ограничивается космическими программами. Производители, использующие почвенное и гидропонное земледелие, также могут внедрять ODC в свои технологии выращивания, поскольку он соответствует стандартам USDA NOP для органического сельского хозяйства. Одним из примеров расширения применения ODC в сельском хозяйстве является его использование в индустрии каннабиса. Линейка продуктов ODC была специально разработана для перспективных сельскохозяйственных культур, таких как каннабис. Активные ингредиенты в линейке ODC для каннабиса включают оригинальный ингредиент – хитозан в концентрации 0,25%, а также 0,28% коллоидного азота и 0,05% кальция. Для повышения устойчивости гидропонных и аэропонных систем к болезням растений и снижения зависимости от химических добавок, НАСА изучает возможность интеграции экологических средств биоконтроля в конструкцию этих систем. Продвинутая растительная среда обитания (APA), развернутая на Международной космической станции (МКС) с 2018 года, является примером такого подхода. Оборудованная более чем 180 датчиками, APA оптимизирует рост и здоровье растений, одновременно снижая потребность в химических биоконтрольных средствах. Датчики контролируют различные факторы окружающей среды, включая интенсивность и спектр освещения, фотопериод, температуру, уровень CO2, относительную влажность, полив, а также удаление этилена и летучих органических соединений (ЛОС). Кроме того, APA оснащена датчиками температуры листьев и корневой зоны, датчиками влажности корневой зоны и датчиками концентрации кислорода. Эти системы контроля окружающей среды служат двум основным целям в предотвращении болезней растений. Во-первых, они поддерживают условия окружающей среды, которые непосредственно препятствуют росту болезнетворных организмов, грибков и вредителей. Тщательно регулируя такие факторы, как температура и влажность, снижается риск заражения, например, ботритисом на листьях, поскольку среда становится менее благоприятной для распространения болезней. Во-вторых, эти системы создают условия, способствующие естественным механизмам защиты растений от болезней, косвенно подавляя их последствия. Например, эксперименты с перцами, проведенные при воздействии синего света, показали повышенную устойчивость к мучнистой росе.

In 1996, Richard Stoner's research on organic disease control (ODC) received funding from NASA. The goal was to develop a natural liquid biocontrol solution for closed loop hydroponic systems that could prevent plant diseases and increase yields without the need for pesticides. By 1997, NASA conducted biocontrol experiments with Stoner's ODC solution. The experiments took place using BioServe Space Technologies' GAP technology, which consisted of miniature growth chambers. Bean seeds were treated with the ODC solution in triplicate experiments conducted aboard the MIR space station, at the Kennedy Space Center, and at Colorado State University under total darkness conditions to eliminate light as a variable. The focus of the NASA experiment was solely on studying the benefits of the biocontrol. Results from NASA's enclosed environment bean experiments on the MIR space station and shuttle confirmed that ODC promoted increased germination rates, better sprouting, enhanced growth, and activated natural plant disease mechanisms. Although initially developed for NASA, ODC is not limited to space applications. Soil and hydroponics growers can also incorporate ODC into their planting techniques, as it complies with USDA NOP standards for organic farming. One notable example of ODC's expansion in agriculture is its application in the cannabis industry. The ODC product line has been developed specifically for emerging agricultural crops like cannabis. The active ingredients in the ODC cannabis line include the original chitosan ingredient at a concentration of 0.25%, as well as 0.28% colloidal nitrogen and 0.05% calcium. In order to enhance the resilience of hydroponic and aeroponic systems against plant diseases and reduce reliance on chemical additives, NASA explores the integration of environmental biocontrols into the design of these systems. The Advanced Plant Habitat (APA), deployed on the International Space Station (ISS) since 2018, exemplifies this approach. Equipped with over 180 sensors, the APA optimizes plant growth and health while decreasing the need for chemical additive biocontrols. The sensors monitor various environmental factors, including lighting intensity, spectrum, and photoperiod, temperature, CO2 levels, relative humidity, irrigation, as well as plant derived ethylene and volatile organic compound (VOC) scrubbing. Additionally, the APA features leaf and root zone temperature sensors, root zone moisture sensors, and oxygen concentration meters. These environmental controls serve two main purposes in inhibiting plant diseases. Firstly, they maintain environmental conditions that directly hinder the growth of diseases, fungi, and pests. By carefully regulating factors like temperature and humidity, the risk of infections, such as botrytis in leaves, is reduced as the environment becomes less conducive to disease proliferation. Secondly, these controls create conditions that promote the plant's natural disease prevention mechanisms, indirectly inhibiting the effects of plant diseases. For instance, experiments with peppers conducted under blue light conditions have shown increased resilience to powdery mildew.

Аэропоника для Земли и космоса

В 1998 году Стоунер получил финансирование от NASA для разработки высокопроизводительной аэропонной системы, пригодной для использования как на Земле, так и в космосе. В ходе своих исследований Стоунер продемонстрировал значительное увеличение скорости роста растений салата, выращенных в аэропонных системах, по сравнению с другими методами культивирования. Впоследствии NASA внедрило многие из аэропонных разработок, осуществленных Стоунером. Исследовательские усилия были сосредоточены на выявлении и разработке технологий для быстрого роста растений в различных гравитационных условиях. Низкая гравитация создает такие проблемы, как эффективная подача воды и питательных веществ к растениям, а также утилизация отходов. Производство продуктов питания в космосе также требует решения вопросов управления водными ресурсами, минимизации расхода воды и снижения веса системы. Кроме того, будущее производство продуктов питания на планетарных телах, таких как Луна и Марс, будет связано с работой в условиях пониженной гравитации. Учитывая различную динамику жидкостей при разных уровнях гравитации, оптимизация систем доставки питательных веществ стала ключевым направлением в разработке систем для выращивания растений. В настоящее время используются различные методы доставки питательных веществ как на Земле, так и в условиях низкой гравитации. Методы, зависящие от субстрата, включают традиционное почвенное земледелие, цеопонику, агар и ионообменные смолы, обогащенные питательными веществами. Помимо подходов, основанных на субстрате, были разработаны бессосульные методы, такие как техника питательной пленки, приливно-отливная система, аэропоника и другие. Гидропонные системы, благодаря высокой пропускной способности питательного раствора, обеспечивают быстрый рост растений. Однако это требует больших объемов воды и значительной рециркуляции раствора, что создает трудности для контроля растворов в условиях микрогравитации. Аэропонные системы используют гидроатомные распылители для доставки питательных веществ, что обеспечивает минимальное потребление воды, улучшенную оксигенацию корней и отличный рост растений. Пропускная способность питательного раствора в аэропонных системах выше, чем в других системах, предназначенных для условий низкой гравитации. Аэропоника устраняет необходимость в субстрате и уменьшает количество отходов, которые должны обрабатываться другими системами жизнеобеспечения. Исключение субстрата упрощает процессы посадки и сбора урожая, облегчает автоматизацию, снижает вес и объем расходных материалов и устраняет потенциальный путь передачи патогенов. Эти преимущества подчеркивают потенциал аэропонного производства в условиях микрогравитации и его эффективность в обеспечении продовольствием космического пространства. AIS – это автономная и самодостаточная система, предназначенная для подачи питательных веществ и тумана к корням растений в аэропонной среде. Ее надувная конструкция имеет преимущество в виде малого веса и возможность сдувания для уменьшения объема при транспортировке и хранении. Эта текущая версия AIS представляет собой улучшение по сравнению с предыдущими конструкциями, использовавшими жесткие каркасы, которые, как правило, дороже в производстве и транспортировке.

In 1998, Stoner received funding from NASA to develop a high performance aeroponic system suitable for use on Earth as well as in space. Through his research, Stoner demonstrated significant increases in growth rates of lettuce plants cultivated in aeroponic systems compared to other cultivation techniques. NASA subsequently adopted many of the aeroponic advancements developed by Stoner. Research efforts have focused on identifying and developing technologies for rapid plant growth in different gravitational environments. Low gravity environments present challenges such as efficient delivery of water and nutrients to plants, as well as the recovery of waste products. Food production in space also requires addressing issues like water management, minimizing water usage, and reducing system weight. Additionally, future food production on planetary bodies like the Moon and Mars will involve dealing with reduced gravity environments. Given the varying fluid dynamics at different levels of gravity, optimizing nutrient delivery systems has been a major focus in developing plant growth systems. Various nutrient delivery methods are currently employed, both on Earth and in low gravity environments. Substrate dependent methods include traditional soil cultivation, zeoponics, agar, and nutrient loaded ion exchange resins. In addition to substrate dependent approaches, non soil methods have been developed, including the nutrient film technique, ebb and flow, aeroponics, and others. Hydroponic systems, with their high nutrient solution throughput, can achieve rapid plant growth. However, this necessitates large volumes of water and significant recycling of the solution, which poses challenges for controlling solutions in microgravity conditions. Aeroponic systems use hydro atomized sprays to deliver nutrients, resulting in minimal water usage, enhanced root oxygenation, and excellent plant growth. The nutrient solution throughput of aeroponic systems is higher compared to other systems designed for low gravity environments. Aeroponics eliminates the need for substrates and reduces the quantity of waste material that must be managed by other life support systems. By removing the substrate requirement, planting and harvesting processes are simplified, automation becomes easier, the weight and volume of expendable materials are reduced, and a potential pathway for pathogen transmission is eliminated. These advantages highlight the potential of aeroponic production in microgravity environments and its efficiency in food production for outer space. The AIS is a self contained and self supporting system designed to deliver nutrients and mist to plant roots in an aeroponic environment. Its inflatable structure offers the advantage of being lightweight and can be deflated to occupy less volume during transportation and storage. This current version of AIS represents an improvement over previous designs that utilized rigid structures, which tend to be more costly to manufacture and transport.

Преимущества аэрофоники для Земли и космоса

Аэропоника обладает многочисленными характеристиками, которые способствуют ее эффективности и результативности как метода выращивания растений.

Меньше питательных веществ в растворе

Растения, выращенные методом аэропоники, находятся в воздухе 99,98% времени, при этом лишь 0,02% приходится на прямой контакт с гидроатомизированным питательным раствором. Этот минимальный контакт с водой позволяет корням эффективно поглощать кислород. Кроме того, гидроатомизированный туман играет значительную роль в эффективном насыщении корней кислородом. Сравнение аэропоники и технологии питательного раствора (NFT) показывает, что в аэропонике расход питательного раствора составляет 1,5 миллилитра в минуту, в то время как в NFT – 1 литр в минуту. Уменьшенный объем расхода питательного раствора в аэропонике приводит к снижению общего количества питательных веществ, необходимых для развития растений. Еще одним преимуществом сниженного расхода, особенно важным для космических применений, является уменьшение объема используемой воды. Это снижение объема воды не только уменьшает вес, необходимый для поддержания роста растений, но и снижает объем буфера. Кроме того, в аэропонике минимизируется объем сточных вод, образующихся растениями, что приводит к сокращению количества воды, требующей очистки для повторного использования. Использование относительно небольших объемов раствора в аэропонике, в сочетании с ограниченным воздействием корней на гидроатомизированный туман, минимизирует контакт корней друг с другом и снижает распространение патогенов между растениями.

Более эффективный контроль за окружающей средой растений

Аэропоника обеспечивает более точный контроль над средой вокруг корневой зоны по сравнению с другими системами выращивания растений, такими как гидропоника. В аэропонике корни растений не находятся постоянно в каком-либо субстрате.

Улучшение питания питательными веществами

Аэропоника обеспечивает возможность подачи различных питательных растворов в корневую зону без необходимости промывать предыдущие растворы или субстраты. Такой высокий уровень контроля особенно ценен при изучении влияния различных режимов питания на конкретные виды растений. Более того, аэропоника позволяет создавать более широкий спектр условий выращивания по сравнению с другими системами подачи питательных веществ. Например, интервалы и продолжительность опрыскивания питательными растворами можно точно настроить в соответствии с потребностями конкретного вида растений. Это означает, что надземные ткани могут находиться в иных условиях, чем корни.

Более удобный для пользователя

Конструкция аэропонной системы обеспечивает удобство работы с растениями. Это обусловлено индивидуальным размещением растений и их подвешиванием в воздухе, без какой-либо среды, которая могла бы стеснять корни. В результате сбор урожая с каждого растения становится простой задачей. Аналогичным образом, удаление пораженного растения легко осуществить, не рискуя повредить корни или заразить соседние растения.

Более экономически эффективный

Аэропонные системы предлагают экономически выгодные преимущества по сравнению с другими системами. Уменьшенный объем циркулирующего раствора, как было сказано ранее, означает снижение потребности в воде и питательных веществах в системе. Кроме того, отсутствие субстрата и меньшее количество движущихся частей также способствуют снижению затрат.

Использование запасов семян

Аэропоника предлагает решение для минимизации негативного воздействия патогенов на посевной материал. Как было сказано ранее, разделение растений и отсутствие общей среды для роста способствуют этому преимуществу. Более того, аэропоника обеспечивает замкнутую и контролируемую среду, что делает её идеальной системой для выращивания посевного материала, свободного от патогенов. Закрытая камера для выращивания в сочетании с изоляцией растений друг от друга предотвращает первичное заражение внешними патогенами и ограничивает распространение уже существующих патогенов между растениями.

Аэрофоника XXI века

Аэропоника представляет собой значительный прогресс в области искусственного обеспечения жизнедеятельности растений, предлагая такие преимущества, как не травмирующая поддержка растений, эффективное прорастание семян, точный контроль над окружающей средой и неограниченный рост. По сравнению с традиционными сельскохозяйственными техниками, такими как гидропоника и капельное орошение, которые применяются на протяжении десятилетий, аэропоника обеспечивает существенные улучшения в культивировании растений.

Современная аэропоника

Современные аэропонные методы были широко исследованы в космических технологиях BioServe NASA, расположенных на территории кампуса Университета Колорадо в Боулдере, штат Колорадо. Этот исследовательский центр специализируется на разработке и коммерциализации аэропонных систем. Кроме того, ученые из Исследовательского центра Эймса проводили исследования систем замкнутого цикла, изучая способы выращивания продовольственных культур в условиях низкой гравитации для поддержки будущих проектов по колонизации космоса. В 2000 году Стоунер получил патент на свою технологию биологической защиты от болезней, позволяющую выращивать культуры без использования пестицидов в аэропонных системах. Важной вехой в развитии аэропоники стало 2004 год, когда Эд Харвуд, основатель AeroFarms, изобрел инновационную аэропонную систему, использующую микрофлис для выращивания листового салата. AeroFarms, используя запатентованную аэропонную технологию Харвуда, в настоящее время управляет крупнейшей в мире крытой вертикальной фермой, основываясь на ее годовой производственной мощности в Ньюарке, штат Нью-Джерси. Эта современная ферма использует аэропонную технологию для производства и распространения до двух миллионов фунтов листовой зелени без пестицидов каждый год.

Аэропоническое биофармацевтическое производство

Аэропоническое биофармацевтическое производство – это инновационный подход, используемый для выращивания фармацевтических препаратов внутри растений. Эта технология обеспечивает полную изоляцию, гарантируя, что сточные воды и побочные продукты биофармацевтических культур остаются в замкнутой системе. В 2005 году доктор Нил Риз из Университета Южной Дакоты провел исследование генетически модифицированных организмов (ГМО) с использованием аэропоники для выращивания генетически модифицированной кукурузы. Доктор Риз считает значительным достижением успешное выращивание кукурузы в аэропонной системе для получения биомассы. Предыдущие попытки выращивания различных сортов кукурузы с помощью гидропоники были безуспешными. Благодаря применению передовых аэропонных технологий, доктор Риз смог собрать зрелые початки генетически модифицированной кукурузы, эффективно удерживая пыльцу кукурузы и отработанную воду, предотвращая их попадание в окружающую среду. Эта изоляция гарантирует, что окружающая среда останется свободной от загрязнения ГМО. Доктор Риз подчеркивает, что аэропоника открывает возможности для экономически выгодного биофармацевтического производства, что делает ее перспективным направлением для фармацевтической промышленности. Внедрение аэропоники в сельское хозяйство Вьетнама начинается с производства недорогих, сертифицированных, свободных от болезней органических мини-клубней. Эти мини-клубни затем служат местным источником для фермеров, занимающихся посадкой семенного и товарного картофеля в поле. Внедрение аэропоники принесет пользу картофелеводам, обеспечив их семенным картофелем, свободным от болезней и выращенным без использования пестицидов. Важно отметить, что это также снизит их операционные расходы и увеличит урожайность, по словам Таха.