Cultiver plus de laitue dans moins d'espace ou Cultiver de la laitue dans l'espace (plus ou moins) : 10 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Il s'agit d'une soumission professionnelle au concours Growing Beyond Earth, Maker, soumise via Instructables.

Je ne pourrais pas être plus excité de concevoir pour la production de cultures spatiales et de publier mon premier Instructable.

Pour commencer, le concours nous a demandé de

… soumettez un Instructable détaillant la conception et la construction de votre chambre de croissance des plantes qui (1) s'intègre dans un volume de 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) contient toutes les caractéristiques nécessaires pour soutenir la croissance des plantes, c'est-à-dire la lumière artificielle, un système d'irrigation, et des moyens de circulation de l'air, et (3) fait une utilisation efficace et inventive du volume intérieur afin d'adapter et de faire pousser avec succès autant de plantes que possible.

Après avoir lu les exigences du concours et les FAQ, j'ai fait les hypothèses suivantes dans le processus de conception.

Une interaction planifiée une fois par semaine avec « le projet » par un astronaute serait acceptable et n'annulerait pas l'aspect contrôle automatique dans les critères du concours.

Le bloc d'alimentation pour « le projet » peut être logé à l'extérieur des 50 cm3, car l'ISS fournirait de l'énergie à l'unité, si l'unité était dans l'espace. Le refroidissement des LED à l'intérieur du « projet » peut provenir de l'extérieur des 50 cm3, car l'ISS peut fournir du refroidissement à l'unité, si l'unité était dans l'espace.

« L'utilisateur » peut avoir un accès illimité au dessus et aux 4 côtés du volume de 50 cm3 pour la maintenance hebdomadaire prévue, mais n'exclut pas les problèmes imprévus, si un problème imprévu survenait avec « le projet ».

Ensuite, j'ai rassemblé les paramètres du concours

Données du projet

Eau: 100 mL/plant/jour (suggéré)

Eclairage: 300-400 ?mol/M2/s dans PAR 400-700nm (suggéré)

Cycle lumineux: 12/12

Type de lumière: LED (suggéré)

Circulation d'air: pour 2.35cf/0.0665m3 (zone de croissance de ma conception)

Température sur l'ISS: 65 à 80˚F / 18,3 à 26,7°C (pour référence)

Type de plante: Laitue romaine rouge ‘Outredgeous’

Taille de la plante mature: 15 cm de haut et 15 cm de diamètre

Système de culture: (au choix du concepteur)

Fournitures

Nous allons avoir besoin de fournitures

(Ces pièces sont utilisées pour la preuve de concept, elles ne sont probablement PAS approuvées pour les voyages dans l'espace)

1 – 0,187" 48"x96" ABS blanc

3 – Micro contrôleurs

1 – 1602 écran LCD

1 – Bouclier Data Logger pour Nano

3 – Photorésistances

4 – Capteurs AM2302

1 – Sonde de température DS18B20

1 – Capteur CE, 1 - Niveau de liquide optique 15mA 5V

1 – DS3231 pour Pi (RTC)

… et plus de fournitures

1 – Pompe doseuse péristaltique

1 - Pompe à eau 12V

1 – Buzzers piézo

3 – résistances 220 Ohm

1 – interrupteur DPST

1 – Stérilisateur UVC 265-275nm

24 – Bouchons sanitaires 1½”

1 – Etage d'agitation magnétique Liquide/Air

1 – Tête de contrôle goutte à goutte, 8 lignes

1 – Tuyau d'irrigation goutte à goutte

1 – Réservoir d'eau de remplacement

1 – tuyau PVC ½ DI

70 – Vis de fixation des LED

Fil 18 AWG et 22 AWG

1 – Gaine thermorétractable

1 – Aluminium pour dissipateur thermique LED

Interrupteurs tactiles de 5 à 6 mm de haut

4 – 1 Ohm, 1 Watt résistances

1 – Paquet de graines de laitue « Outredgeous »

…et plus

1 - Carte Boost 400W

32 - LED blanches 3W, (6000-6500k)

1 - Alimentation 24V / 12V / 5V / 3.3V

8 - ventilateurs d'ordinateur de 40 mm

11 – Relais opto-isolés 5V

10 – Diode flyback 1N4007

24 – Bouchons en laine de roche

1 – Nutriments hydroponiques

1 – Conteneur de nutriments

1 – Feuilles de mylar

… et des outils

Solvant pour le collage

Vu

Scies cloches

Fer à souder

Souder

Percer

Forets

Tournevis

Ordinateur

cable USB

Logiciel IDE Arduino

Étape 1: Comparaison du système « VEGGIE » actuel

Le système « VEGGIE » sur l'ISS permet de faire pousser 6 têtes de laitue en 28 jours (4 semaines). Si "VEGGIE" fonctionnait pendant 6 mois (la durée moyenne d'un astronaute à bord de l'ISS), il produirait 36 têtes de laitue avec 6 têtes supplémentaires âgées de deux semaines. Pour un équipage de 3, c'est des légumes frais deux fois par mois.

Le projet GARTH fera pousser 6 têtes de laitue en 28 jours (4 semaines). MAIS.. s'il fonctionnait pendant 6 mois, il produirait 138 têtes de laitue, avec 18 têtes supplémentaires à divers stades de croissance. Pour un équipage de 3, c'est des légumes frais 7 ½ fois par mois, soit presque deux fois par semaine.

Si cela attire votre attention… examinons de plus près le design

Étape 2: Le projet GARTH

Technologie de ressources d'automatisation de la croissance pour l'horticulture

(Les photos du projet GARTH sont d'une maquette à grande échelle, fabriquée à partir d'un panneau à âme en mousse Dollar Store)

Le projet GARTH maximise la productivité grâce à l'utilisation de 4 zones de croissance optimisées distinctes. Il comprend également des systèmes de contrôle automatique pour l'éclairage, la qualité de l'air, la qualité de l'eau et le remplacement de l'eau.

32, les lumières LED blanches 6000K fournissent les exigences PAR suggérées. Un système de circulation d'air à deux ventilateurs et un système de ventilation à quatre ventilateurs ont été intégrés pour maintenir l'environnement intérieur, et un système hydroponique à couche mince de nutriments (NTF) automatisé et auto-optimisé a été choisi pour alimenter et surveiller les plantes. L'eau de remplacement d'évaporation est conservée dans un réservoir séparé dans la zone de stockage supérieure à proximité d'un réservoir de nutriments liquides constamment agité, nécessaire pour maintenir le niveau de nutriments dans le système hydroponique sans l'aide d'un astronaute. Toute la puissance entre, fonctionne et est distribuée à partir de la zone de stockage supérieure.

Étape 3: Caractéristiques de conception

Les quatre pôles de croissance

1er stade (germination), pour les graines de 0-1 semaine, environ 750 cc d'espace de croissance

2ème étape, pour les plantes âgées de 1 à 2 semaines, environ 3 600 cc d'espace de croissance

3ème étape, pour les plantes de 2-3 semaines, environ 11 000 cc d'espace de croissance

4ème étape, pour les plantes âgées de 3 à 4 semaines, environ 45 000 cc d'espace de croissance

(Les zones du 1er et du 2e étage sont combinées sur un plateau amovible pour faciliter la plantation, l'entretien et le nettoyage)

Étape 4: Système d'éclairage

L'éclairage était difficile sans accès à un compteur PAR, heureusement, le concours avait M. Dewitt au Fairchild Tropical Botanic Garden, pour y répondre avec des questions. Il m'a dirigé vers des graphiques très utiles et ces graphiques m'ont également conduit à led.linear1. Avec les graphiques et le site Web, j'ai pu calculer mes besoins en éclairage et en circuits.

Ma conception utilise 26,4 V de tension source pour faire fonctionner 4 matrices de 8 LED de 3 watts en série avec des résistances de 1 ohm, 1 watt. J'utiliserai une alimentation 24V et un convertisseur Boost pour élever le courant constant à 26,4V. (À bord de l'ISS, ma conception utiliserait le 27V disponible et un convertisseur Buck pour abaisser la tension et fournir le courant constant de 26,4V)

Voici la liste des pièces du système d'éclairage.

32, blanc 6000-6500k, 600mA, DC 3V–3,4V, 3W LED

4, 1 ohm – résistances 1W

1, convertisseur 12A 400W Boost

1, ventilateur de 40 mm

1, thermistance

1, DS3231 pour Pi (RTC) ou enregistreur de données

Fil 18 AWG

… et c'est ainsi que je prévois d'utiliser ces trente-deux LED 3W.

Une LED à l'étape 1, quatre à l'étape 2 et neuf à l'étape 3. Les dix-huit dernières LED éclaireront l'étape 4 et nous apporteront un total impressionnant de 96 watts de lumière à environ 2,4 ampères.

Étape 5: Système de circulation d'air et de ventilation

(Veuillez vous rappeler que la plomberie et le câblage électrique ne sont pas terminés. Ce sont des photos d'une maquette du système proposé)

La circulation est réalisée avec deux ventilateurs de 40 mm. Un ventilateur de poussée qui souffle dans le 4e étage depuis le conduit en haut à gauche à l'arrière. L'air circulera à travers le 4e étage et dans l'avant du 3e étage, puis à travers le 3e étage et sortira par l'arrière (en haut et autour du 1er étage, via un conduit court) à l'arrière du 2e étage. Un ventilateur de tirage dans le conduit au-dessus du 2e étage aspirera l'air à travers le 2e étage et sortira par le coin supérieur avant droit. Terminer le voyage à travers le système de circulation d'air.

La ventilation du 4e étage sortira directement du mur arrière supérieur. Le 3e étage sera également ventilé à travers sa paroi arrière supérieure. La 2e étape sera ventilée directement par le haut et l'étape de germination (étape 1) évacuera la paroi arrière, de la même manière que les étapes 3 et 4.

Étape 6: Système hydroponique NFT

(La sonde EC, la sonde de température, le capteur de niveau de liquide, les tuyaux pour le remplacement de l'évaporation du réservoir d'eau douce et les tuyaux reliant la pompe de puisard aux canaux, tous seront situés ici dans le puisard mais n'ont pas été montrés sur cette photo)

Le système comprend un puisard de 9 000+ml/cc, un réservoir d'eau douce de 7 000+ml//cc pour le remplacement de l'évaporation, une pompe à eau 12V 800L/heure, un stérilisateur UV-C pour tuer toutes les algues dans l'eau entrant dans le Collecteur de débit réglable à 8 ports, une tour d'aération avec ventilateur à flux opposé pour aérer l'eau descendante de l'étage 2 et l'eau d'échappement de l'étage d'agitation, un capteur de niveau de liquide, un capteur EC, un capteur de température de l'eau, une pompe péristaltique dosant à partir du réservoir de nutriments, une étape d'agitation qui maintient les nutriments en solution dans le réservoir et cinq creux ou canaux de croissance. Les cinq canaux de croissance, l'étage d'agitation, la tour d'aération reçoivent l'eau du collecteur de débit réglable à 8 ports. Lorsque le système hydroponique doit être entretenu, un interrupteur de coupure bipolaire simple jet (DPST) situé sur le panneau avant coupe l'alimentation à la pompe à eau, au stérilisateur UV-C et au doseur de nutriments à pompe péristaltique. Cela permettra à "l'utilisateur" de travailler en toute sécurité sur le système hydroponique sans mettre en danger lui-même ou la culture.

Étape 7: Système de distribution automatique de nutriments

J'utilise le « doseur de nutriments Arduino automatisé auto-optimisant » développé par Michael Ratcliffe pour ce projet. J'ai adapté son croquis à mon système et à mon matériel et j'utilise le "Three Dollar EC - PPM Meter" de Michael comme capteur EC.

Des informations ou des instructions pour ces deux projets peuvent être trouvées sur: element14, hackaday ou michaelratcliffe

Étape 8: L'électronique des systèmes d'automatisation

Le système d'éclairage utilisera un microcontrôleur Arduino, un DS3231 pour Pi (RTC), un module à 4 relais, quatre résistances de 1 ohm à 1 watt, trente-deux LED blanches de 3 W, un convertisseur Boost de 400 W, trois résistances photo, un ordinateur de 40 mm ventilateur et une thermistance. Le microcontrôleur utilisera le RTC pour chronométrer les lumières selon un cycle de 12 heures d'allumage et 12 heures d'extinction. Il surveillera les niveaux d'éclairage dans les 2e, 3e et 4e étages avec des photorésistances et alertera avec une alarme LED/piezo, s'il détecte un faible niveau d'éclairage à n'importe quel étage, pendant un cycle d'éclairage. La température de la carte de commande LED sera surveillée par une thermistance connectée en ligne au ventilateur de 40 mm et commencera automatiquement à refroidir lorsqu'une chaleur suffisante est détectée.

Le système Nutrient Delivery a été développé par Michael Ratcliffe. Le système utilise un Arduino Mega, l'une des idées de sonde EC de Michael, un écran de clavier LCD 1602, un capteur de température d'eau DS18B20, une pompe doseuse péristaltique 12 V et un relais opto isolé 5 V. J'ai ajouté un capteur optique de niveau de liquide. Le système surveillera l'EC et la température de l'eau et activera la pompe péristaltique pour doser les nutriments selon les besoins. Le microcontrôleur surveillera le niveau d'eau dans le puisard et alertera avec une alarme LED/piezo si la température de l'eau du puisard est au-delà de la plage définie par l'utilisateur, si les données du capteur EC sont au-delà de la plage définie par l'utilisateur pendant plus longtemps que la plage définie par l'utilisateur période de temps ou si le niveau d'eau du puisard descend en dessous du niveau défini par l'utilisateur.

Le système de circulation d'air comprendra un microcontrôleur Arduino, quatre capteurs AM2302, six ventilateurs informatiques de 40 mm (deux ventilateurs de circulation d'air pour les 2e, 3e et 4e étages et 4 ventilateurs de ventilation), un stérilisateur UV-C et six relais opto-isolés 5V (pour les fans). Le contrôleur surveillera la température et l'humidité de l'air dans les 4 étapes et démarrera automatiquement le système de circulation à deux ventilateurs ou les ventilateurs d'aération individuels selon les besoins pour maintenir la température et l'humidité dans les plages définies par l'utilisateur. Le contrôleur réglera et contrôlera également la synchronisation du stérilisateur UV-C et maintiendra une alarme LED/piezo au cas où la température ou l'humidité dépasserait les niveaux définis par l'utilisateur dans l'une des 4 étapes.

Étape 9: la construction

Le boîtier de 50 cm3, les canaux, le réservoir de remplacement d'évaporation d'eau douce, la tour d'aération, le conduit de circulation d'air central, le tiroir 1er et 2e étage, les entretoises de toit (non illustrées) et la plupart des autres structures de support, seront construits à partir de 0,187" ABS noir. Les rideaux avant des scènes sont montrés dans un film Mylar sur la maquette, mais seraient très probablement fabriqués à partir d'acrylique ou de polycarbonate à revêtement réfléchissant sur le prototype réel. L'éclairage (non illustré mais composé de 4 rangées de 8 LED 3W en série) sera monté sur une feuille d'aluminium d'environ 0,125" avec un tube en cuivre de 0,125" soudé sur le dessus pour le refroidissement liquide, (ce refroidissement entrerait et sortirait par l'arrière de l'unité pour séparer le refroidisseur non lié au concours). La plomberie de l'eau NTF aux étages 1 et 2 (n'est montrée sur aucune des photos mais) serait attachée via une connexion rapide à l'avant du 2e étage.

Le convertisseur boost (montré sur la photo de la zone de stockage supérieure) peut être déplacé sous le bac de germination (étape 1) pour fournir une chaleur supplémentaire pour la germination. L'AM2302, capteurs de température et d'humidité (non illustrés), sera situé en hauteur dans chaque étage (hors du chemin de circulation d'air régulièrement prévu)

La conception peut sembler ne pas penser du tout à l'espace,

Mais ce n'est pas le cas. Mon système NTF décrit ici n'est pas optimisé ou modifié pour l'espace, mais les systèmes hydroponiques NTF sont de sérieux candidats pour les besoins uniques des cultures spatiales en microgravité et j'ai des idées pour son optimisation spatiale.

Le concours nous a demandé de concevoir un système permettant de faire pousser plus de plantes dans un espace défini et d'automatiser la conception autant que possible.

Les conceptions sélectionnées pour la phase 2 devront d'abord faire pousser des plantes sur terre. Je pense que ma conception répond à toutes les exigences du concours et le fait tout en respectant l'espace réel nécessaire à la croissance des plantes, la circulation de l'air, les contrôles environnementaux automatisés et une semaine de consommables pour les plantes. Le tout dans l'espace de 50 cm3 qui nous a été imparti.

Étape 10: Pour conclure

L'automatisation du projet GARTH réduit l'attention nécessaire à une fois par semaine.

Une maintenance réduite de sept fois, par rapport au système "VEGGIE".

Six usines ont démarré chaque semaine dans le projet GARTH.

Une production multipliée par quatre, par rapport à six usines démarrées mensuellement dans le système « VEGGIE ».

Je considère ces changements comme efficaces, inventifs et efficients.

J'espère que vous aussi.

Finaliste du concours Growing Beyond Earth Maker