Cultivar más lechuga en menos espacio o Cultivar lechuga en el espacio, (más o menos): 10 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Esta es una presentación profesional para Growing Beyond Earth, Maker Contest, presentada a través de Instructables.

No podría estar más emocionado de diseñar para la producción de cultivos espaciales y publicar mi primer Instructable.

Para empezar, el concurso nos pidió que …

“… Envíe un Instructable detallando el diseño y la construcción de su cámara de crecimiento de plantas que (1) se ajusta a un volumen de 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) contiene todas las características necesarias para mantener el crecimiento de las plantas, es decir, luz artificial, un sistema de riego, y medios para hacer circular el aire, y (3) hace un uso eficaz e inventivo del volumen interior para que quepan y cultiven con éxito tantas plantas como sea posible”.

Después de leer los requisitos del concurso y las preguntas frecuentes, hice las siguientes suposiciones en el proceso de diseño.

Una vez semanalmente, la interacción planificada con "el proyecto" por parte de un astronauta sería aceptable y no anularía el aspecto de control automático en los criterios del concurso.

La fuente de alimentación para "el proyecto" se puede alojar fuera de los 50 cm3, ya que la ISS suministraría energía a la unidad, si la unidad estuviera en el espacio. El enfriamiento de los LED dentro del “proyecto” puede originarse fuera de los 50cm3, ya que la ISS puede suministrar enfriamiento a la unidad, si la unidad estuviera en el espacio.

El "usuario" puede tener acceso sin restricciones a la parte superior y a los 4 lados del volumen de 50 cm3 para el mantenimiento semanal planificado, pero no excluye problemas no planificados, en caso de que surja un problema no planificado con "el proyecto".

A continuación, reuní los parámetros para el concurso

Datos del proyecto

Agua: 100 mL / planta / día (sugerido)

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

Ciclo de luz: 12/12

Tipo de luz: LED (sugerido)

Circulación de aire: para 2.35cf / 0.0665m3 (área de crecimiento de mi diseño)

Temperatura en ISS: 65 a 80˚F / 18,3 a 26,7 ° C (como referencia)

Tipo de planta: lechuga romana roja 'Outredgeous'

Tamaño de la planta madura: 15 cm de alto y 15 cm de diámetro.

Sistema de cultivo: (elección del diseñador)

Suministros

¡Vamos a necesitar suministros

(Estas piezas se utilizan como prueba de concepto, probablemente NO estén aprobadas para viajes espaciales)

1 - ABS blanco de 0,187 "48" x 96"

3 - Microcontroladores

1 - Pantalla LCD 1602

1 - Escudo del registrador de datos para Nano

3 - Foto resistencias

4 - Sensores AM2302

1 - Sensor de temperatura DS18B20

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

1 - DS3231 para Pi (RTC)

… y más suministros

1 - Bomba dosificadora peristáltica

1 - bomba de agua 12V

1 - Zumbadores piezoeléctricos

3 - resistencias de 220 ohmios

1 - interruptor DPST

1 - Esterilizador UVC 265-275nm

24 tapones sanitarios de 1½”

1 - Etapa de agitación magnética líquido / aire

1 - Cabezal de control de goteo, 8 líneas

1 - Tubería de riego por goteo

1 - Recipiente de agua de repuesto

1 - Tubería de PVC de ½ ID

70 - Tornillos para fijar LED

Cable de 18 AWG y 22 AWG

1 - Tubo retráctil

1 - Aluminio para disipador de calor LED

Interruptores táctiles de 5-6 mm de altura

4 - resistencias de 1 ohmio, 1 vatio

1 - Paquete de semillas de lechuga "Outredgeous"

…y más

1 - Tablero Boost de 400W

32 - LED blancos de 3W, (6000-6500k)

1 - Fuente de alimentación de 24 V / 12 V / 5 V / 3,3 V

Ventiladores de computadora de 8 a 40 mm

11 - Relés optoaislados de 5V

10 - Diodo de retorno 1N4007

24 - Tapones de lana de roca

1 - Nutrientes hidropónicos

1 - Recipiente de nutrientes

1 - Láminas de Mylar

… y herramientas

Disolvente para pegar

Vio

Sierras de corona

Soldador

Soldar

Taladro

Brocas

Destornilladores

Computadora

cable USB

Software Arduino IDE

Paso 1: Comparación del sistema "VEGGIE" actual

El sistema "VEGGIE" en ISS puede producir 6 lechugas en 28 días (4 semanas). Si “VEGGIE” funcionara durante 6 meses (el tiempo promedio que un astronauta está a bordo de la ISS) produciría 36 cabezas de lechuga con 6 cabezas adicionales que tuvieran dos semanas de edad. Para una tripulación de 3, son verduras frescas dos veces al mes.

El Proyecto GARTH producirá 6 lechugas en 28 días (4 semanas). PERO … si funciona durante 6 meses, crecerá 138 lechugas, con 18 cabezas adicionales en varias etapas de crecimiento. Para un equipo de 3, son verduras frescas 7½ veces al mes, o casi dos veces por semana.

Si eso te llama la atención … echemos un vistazo más de cerca al diseño

Paso 2: El proyecto GARTH

Tecnología de recursos de automatización del crecimiento para la horticultura

(Las fotos del Proyecto GARTH son de una maqueta a gran escala, hecha de cartón con núcleo de espuma Dollar Store)

El proyecto GARTH maximiza la productividad mediante el uso de 4 áreas de crecimiento optimizadas separadas. También incluye sistemas de control automático de iluminación, calidad del aire, calidad del agua y reposición del agua.

32, las luces LED blancas de 6000 K proporcionan los requisitos PAR sugeridos. Se incorporó un sistema de circulación de aire de dos ventiladores y un sistema de ventilación de cuatro ventiladores para mantener el ambiente interior, y se eligió un sistema hidropónico de película delgada de nutrientes (NTF) automatizado y auto-optimizado para alimentar y monitorear las plantas. El agua de reemplazo por evaporación se mantiene en un depósito separado en el área de almacenamiento superior cerca de un depósito de nutrientes líquidos en constante agitación, necesario para mantener el nivel de nutrientes en el sistema hidropónico sin la ayuda de un astronauta. Toda la energía ingresa, opera y se distribuye desde el área de almacenamiento superior.

Paso 3: características de diseño

Las cuatro áreas de crecimiento

1ra etapa (germinación), para semillas de 0 a 1 semana, aproximadamente 750 cc de espacio de crecimiento

2da etapa, para plantas de 1-2 semanas, aproximadamente 3.600 cc de espacio de crecimiento

3ra etapa, para plantas de 2-3 semanas, aproximadamente 11.000 cc de espacio de crecimiento

4ta etapa, para plantas de 3-4 semanas de edad, aproximadamente 45.000 cc de espacio de crecimiento

(Las áreas de la 1ra y 2da etapa se combinan en una bandeja extraíble para facilitar la siembra, el mantenimiento y la limpieza)

Paso 4: sistema de iluminación

La iluminación era difícil sin acceso a un medidor PAR, afortunadamente, el concurso tuvo al Sr. Dewitt en Fairchild Tropical Botanic Garden, al que acudir con preguntas. Me dirigió a gráficos que fueron muy útiles y esos gráficos también me llevaron a led.linear1. Con los gráficos y el sitio web, pude calcular mis necesidades de iluminación y circuitos.

Mi diseño utiliza 26,4 V de voltaje de fuente para ejecutar 4 matrices de 8 LED de 3 vatios en serie con resistencias de 1 ohmio y 1 vatio. Usaré un suministro de 24 V y un convertidor Boost para elevar la corriente constante a 26,4 V. (A bordo de la ISS, mi diseño usaría el 27V que está disponible y un convertidor Buck para reducir el voltaje y proporcionar la corriente constante de 26.4V)

Esta es la lista de piezas del sistema de iluminación.

32, LED blancos 6000-6500k, 600mA, DC 3V – 3.4V, 3W

4 resistencias de 1 ohmio - 1 W

1 convertidor Boost de 12 A 400 W

1 ventilador de 40 mm

1, termistor

1, DS3231 para Pi (RTC) o registrador de datos

Alambre de 18 AWG

… Y así es como planeo usar esos treinta y dos LED de 3W.

Un LED en la Etapa 1, cuatro en la Etapa 2 y nueve en la Etapa 3. Los últimos dieciocho LED iluminarán la Etapa 4 y nos llevarán a un total enorme de 96 vatios de luz a aproximadamente 2.4 amperios.

Paso 5: Sistema de ventilación y circulación de aire

(Recuerde que la plomería y el cableado eléctrico no están completos. Estas son fotos de una maqueta del sistema propuesto)

La circulación se consigue con dos ventiladores de 40 mm. Un ventilador de empuje que sopla hacia la 4ta etapa desde el conducto en la parte superior izquierda trasera. El aire fluirá a través de la 4ta etapa y entrará en la parte delantera de la 3ra etapa, luego a través de la 3ra etapa y saldrá por la parte trasera (hacia arriba y alrededor de la 1ra etapa, a través de un conducto corto) hacia la parte trasera de la 2da etapa. Un ventilador de arrastre en el conducto por encima de la 2da etapa, sacará el aire a través de la 2da etapa y saldrá por la esquina superior delantera derecha. Completando el recorrido por el sistema de circulación de aire.

La ventilación de la cuarta etapa saldrá directamente de la pared trasera superior. La tercera etapa también se ventilará a través de la pared trasera superior. La segunda etapa se ventilará directamente a través de la parte superior y la etapa de germinación (etapa 1) se ventilará por la pared trasera, similar a las etapas 3 y 4.

Paso 6: Sistema hidropónico NFT

(La sonda de CE, la sonda de temperatura, el sensor de nivel de líquido, las mangueras para el reemplazo de la evaporación del depósito de agua dulce y las mangueras que conectan la bomba del sumidero a los canales, todos estarán ubicados aquí en el sumidero pero no se muestran en esta foto)

El sistema incluye un sumidero de 9, 000 + ml / cc, un depósito de agua dulce de 7, 000 + ml // cc para reemplazo por evaporación, una bomba de agua de 12 V 800L / hora, un esterilizador UV-C para matar cualquier alga en el agua que ingresa al Colector de flujo ajustable de 8 puertos, una torre de aireación con ventilador de flujo opuesto para airear el agua que fluye hacia abajo de la Etapa 2 y el agua de escape de la etapa de agitación, un sensor de nivel de líquido, un sensor de CE, un sensor de temperatura del agua, una bomba peristáltica que dosifica desde el depósito de nutrientes, una etapa de agitación que mantiene los nutrientes en solución en el reservorio y cinco comederos o canales de crecimiento. Los cinco canales de crecimiento, la etapa de agitación, la torre de aireación reciben agua del colector de flujo ajustable de 8 puertos. Cuando el sistema hidropónico necesita ser reparado, un interruptor de corte de dos polos de un solo tiro (DPST) ubicado en el panel frontal apagará la energía. a la bomba de agua, esterilizador UV-C y dosificador de nutrientes de bomba peristáltica. Esto permitirá al "Usuario" trabajar de forma segura en el sistema hidropónico sin ponerse en peligro a sí mismo ni al cultivo.

Paso 7: Sistema automático de suministro de nutrientes

Estoy usando el “Dosificador de nutrientes Arduino automatizado con optimización automática” desarrollado por Michael Ratcliffe para este proyecto. He adaptado su boceto a mi sistema y hardware y estoy utilizando el “Medidor de EC de tres dólares - PPM” de Michael como mi sensor de EC.

Puede encontrar información o instrucciones para ambos proyectos en: element14, hackaday o michaelratcliffe

Paso 8: La electrónica de los sistemas de automatización

El sistema de iluminación utilizará un microcontrolador Arduino, un DS3231 para Pi (RTC), un módulo de 4 relés, cuatro resistencias de 1 ohmio - 1 vatio, treinta y dos LED blancos de 3 W, un convertidor Boost de 400 W, tres resistencias fotográficas, una computadora de 40 mm ventilador y un termistor. El microcontrolador usará el RTC para cronometrar las luces en un ciclo de 12 horas encendido, 12 horas apagado. Monitoreará los niveles de luz en la 2ª, 3ª y 4ª etapa con fotorresistencias y alertará con una alarma LED / piezo, si detecta un nivel de luz bajo en cualquier etapa, durante un ciclo de luces encendidas. La temperatura de la placa del controlador LED será monitoreada por un termistor conectado en línea al ventilador de 40 mm y automáticamente comenzará a enfriar cuando se detecte suficiente calor.

El sistema de suministro de nutrientes fue desarrollado por Michael Ratcliffe. El sistema utiliza un Arduino Mega, una de las ideas de la sonda EC de Michael, un protector de pantalla de teclado LCD 1602, un sensor de temperatura del agua DS18B20, una bomba dosificadora peristáltica de 12 V y un relé optoaislado de 5 V. Agregué un sensor óptico de nivel de líquido. El sistema controlará la CE y la temperatura del agua y activará la bomba peristáltica para dosificar los nutrientes según sea necesario. El microcontrolador monitoreará el nivel del agua en el sumidero y alertará con una alarma LED / piezoeléctrica si la temperatura del agua del sumidero está más allá del rango establecido por el usuario, si los datos del sensor de CE están más allá del rango establecido por el usuario durante más tiempo del establecido por el usuario. período de tiempo o si el nivel del agua del sumidero cae por debajo del nivel establecido por el usuario.

El sistema de circulación de aire constará de un microcontrolador Arduino, cuatro sensores AM2302, seis ventiladores de computadora de 40 mm (dos ventiladores de circulación de aire para las etapas 2, 3 y 4 y 4 ventiladores de ventilación), un esterilizador UV-C y seis relés optoaislados de 5V (para los fans). El controlador controlará la temperatura y la humedad del aire en las 4 etapas y automáticamente iniciará el sistema de circulación de dos ventiladores o los ventiladores de ventilación de las etapas individuales según sea necesario para mantener la temperatura y la humedad dentro de los rangos establecidos por el usuario. El controlador también establecerá y controlará la sincronización del esterilizador UV-C y mantendrá una alarma LED / piezo en caso de que la temperatura o la humedad superen los niveles establecidos por el usuario en cualquiera de las 4 etapas.

Paso 9: la construcción

La caja de 50 cm3, los canales, el depósito de reemplazo de evaporación de agua dulce, la torre de aireación, el conducto de circulación de aire central, el cajón de la 1ra y 2da etapa, los tirantes del techo (no se muestran) y la mayoría de las demás estructuras de soporte, se construirán a partir de 0.187” ABS negro. Las cortinas frontales para los escenarios se muestran en una película de Mylar en la maqueta, pero lo más probable es que estén hechas de acrílico o policarbonato con revestimiento reflectante en el prototipo real. La iluminación (que no se muestra, pero que consta de 4 conjuntos de 8 LED de 3 W en serie) se montará en una lámina de aluminio de aproximadamente 0,125 "con tubos de cobre de 0,125" soldados en la parte superior para refrigeración líquida (que la refrigeración entraría y saldría por la parte posterior de la unidad para separar el enfriador no relacionado con el concurso.) Tubería de agua NTF a la Etapa 1 y 2 (no se muestra en ninguna de las fotos pero) se adjuntará a través de una conexión rápida en la parte delantera de la 2da etapa.

El convertidor de refuerzo (que se muestra en la foto del área de almacenamiento superior) se puede reubicar debajo de la bandeja de germinación (Etapa 1) para proporcionar calor adicional para la germinación. Los sensores de temperatura y humedad AM2302 (no mostrados) se ubicarán en lo alto de cada etapa (fuera de la ruta de circulación de aire planificada regularmente)

Puede parecer que el diseño no está pensando en el espacio en absoluto,

Pero ese no es el caso. Mi sistema NTF descrito aquí no está optimizado ni modificado para el espacio, pero los sistemas hidropónicos NTF son serios contendientes para las necesidades únicas de los cultivos espaciales en microgravedad y tengo ideas para su optimización del espacio.

El concurso nos pidió que diseñáramos un sistema que creciera más plantas en un espacio definido y automatizáramos el diseño tanto como fuera posible.

Los diseños seleccionados para la Fase 2 necesitarán cultivar plantas en la tierra primero. Creo que mi diseño cumple con todos los requisitos del concurso y lo hace respetando el verdadero espacio necesario para el crecimiento de las plantas, la circulación del aire, los controles ambientales automatizados y una semana de consumibles para las plantas. Todo dentro del espacio de 50 cm3 que nos dieron.

Paso 10: Para concluir

La automatización del Proyecto GARTH reduce la atención necesaria a una vez por semana.

Una disminución de siete veces en el mantenimiento, en comparación con el sistema "VEGGIE".

Seis plantas comenzaron semanalmente en The GARTH Project.

Un aumento de cuatro veces en la producción, en comparación con seis plantas iniciadas mensualmente en el sistema "VEGGIE".

Considero que estos cambios son efectivos, inventivos y eficientes.

Espero que tú también.

Finalista en el concurso Growing Beyond Earth Maker