Исследователи изучают, как динамическое управление окружающей средой в крытых фермах может помочь в обеспечении растущего населения питательными и качественными фруктами и овощами, выращенными непосредственно на месте. Они отмечают, что новые технологии могут улучшить качество и устойчивость продуктов питания, одновременно снижая потребление энергии.
Вертикальное земледелие обещает изменить подход к производству продуктов питания в условиях городов и экстренных ситуаций, оптимизируя рост растений благодаря динамическому контролю окружающей среды. Особенно это касается умного освещения, которое настраивается в зависимости от потребностей растений и затрат на электроэнергию.
В условиях растущей мировой перенаселенности необходимы инновационные решения для обеспечения продовольственной безопасности. Вертикальное земледелие, основывающееся на интенсивном выращивании растений в закрытых помещениях, представляет собой жизнеспособный вариант. Однако основным препятствием для его широкого внедрения остаются высокие затраты на электроэнергию для освещения, необходимого для роста растений. Исследования показывают, что адаптация освещения к индивидуальным потребностям культур может улучшить их рост и снизить потребление энергии.
«Самым большим преимуществом вертикальных фермерских систем является возможность выращивать здоровые продукты питания ближе к потребителям в таких условиях, где это было бы невозможно, например, в мегаполисах или пустынных районах, а также в местах с холодным и темным климатом», — говорит доктор Элиас Кайзер, первый автор статьи в журнале Frontiers in Science. — «Однако расходы на электроэнергию остаются основной проблемой».
Многие системы вертикального земледелия работают при фиксированных условиях окружающей среды, что требует значительных энергетических затрат. Однако анализ, проведенный учеными, показывает, что для достижения эффективного вертикального земледелия в таких условиях не обязательно поддерживать постоянные параметры: с помощью динамического контроля окружающей среды можно достичь значительной экономии и улучшить здоровье растений.
«Мы вдохновились ритмами, которые растения демонстрируют в течение суток и в процессе роста, что требует регулярной корректировки условий для их оптимального развития», — объясняет профессор Лео Марселис, старший автор работы. Он добавляет: «Мы представляем стратегию, основанную на знании физиологии растений, новых методах зондирования и моделирования, а также на новых сортах, специально выведенных для вертикального земледелия».
Поскольку биологические функции растений зависят от условий окружающей среды — таких как температура, длина волны света и содержание CO2 — манипуляции с этими параметрами позволяют вертикальным фермам управлять развитием растений. Освещение играет ключевую роль, так как оно необходимо для фотосинтеза, и различные длины волн влияют на разные виды растений. Эта переменная особенно чувствительна к колебаниям цен на электроэнергию, что открывает возможности для повышения эффективности.
«Использование колебаний цен на электроэнергию может быть выгодным для вертикальных систем, позволяя использовать больше энергии, когда она дешевле», — поясняет Марселис.
Исследователи разработали модель для тестирования умного освещения, целью которой было поддерживать уровень фотосинтеза у растений на постоянном уровне в течение дня при одновременном снижении затрат на электроэнергию. В результате они обнаружили, что оптимизационный алгоритм может сократить расходы на электроэнергию на 12% без ущерба для углеродного захвата растениями, просто изменяя интенсивность света.
Далее ученые проверили, влияет ли изменение интенсивности света на рост листовых растений, таких как шпинат, которые часто выращиваются на вертикальных фермах. Результаты показали отсутствие негативного воздействия даже при нерегулярных изменениях интенсивности света.
«Многие из предложенных решений еще не были протестированы на больших масштабах, характерных для вертикальных ферм: они могут быть подтверждены на уровне отдельных растений, но еще не на уровне целых культур», — предостерегает Кайзер.
Динамическая настройка расхода воздуха, температуры и CO2 в зависимости от потребностей растений открывает перспективы для минимизации затрат на электроэнергию. Фермерам понадобятся соответствующие датчики и модели, которые помогут контролировать и регулировать окружающую среду, а также новые сорта, адаптированные для вертикального земледелия. Эти сорта могут максимально использовать возможности местного производства в защищенном грунте, сосредоточив внимание на лучших питательных и вкусовых качествах, а не на прочности или сроке хранения.
Дополнительные исследования необходимы для точной настройки всех этих параметров и нахождения правильного баланса между высококачественными и высокоурожайными культурами. По словам Марселиса, в вертикальной ферме все условия роста можно точно контролировать, что критически важно для оптимизации урожайности, качества и эффективного использования ресурсов. Однако техническая возможность поддерживать постоянные параметры не всегда является наилучшим решением.
«Как только будет реализован динамический контроль за окружающей средой, можно будет значительно снизить как потребление энергии, так и затраты на нее, что улучшит рентабельность и устойчивость вертикальных ферм», — добавляет он.
Ранее исследователи из Университета Флориды использовали технологию CRISPR/Cas9 для изменения угла наклона листьев сахарного тростника, что значительно повысило его способность к захвату солнечного света и урожайность. Этот прорыв в редактировании сложного полиплоидного генома сахарного тростника является значительным достижением в области улучшения сельскохозяйственных культур и производства биотоплива.