Вертикальные фермы уже давно перестали быть фантастикой: в стеклянных башнях и даже под землёй сегодня выращивают салаты, томаты и клубнику. Сейчас большая часть таких ферм работает в единообразном режиме:
- свет горит равномерно по определённому алгоритму день/ночь;
- температура и влажность поддерживаются на постоянном уровне;
- растения получают питательный раствор в одних и тех же дозах.
Такой подход вполне удобен с точки зрения инженерного проектирования объектов. Правда, он не всегда идеально подходит для растений, а также сопряжён с огромными энергозатратами, приводящими к высокой стоимости продукции фермы.
Современная наука предлагает новый путь — динамическое управление. Это означает, что условия выращивания подстраиваются под биологические ритмы растений и внешние обстоятельства.
Свет, температура, влажность и питание могут меняться в течение суток без вреда для растений. Более того — правильное управление параметрами среды способствует более вкусному и качественному урожаю.
По сути, ферма будущего — это гибкая система, которая дышит в такт с растениями.
Группа учёных провела обзорное исследование по теме динамического управления условиями. Мы разберём самое интересное из него простым и понятным языком.
Свет как главный инструмент динамики
Если говорить о динамическом управлении условиями, то в центре внимания всегда оказывается свет. Это не случайно: именно освещение — самый энергозатратный элемент вертикальной фермы и одновременно главный фактор роста растений.
В традиционных установках свет включают по жёсткому расписанию, чтобы имитировать день и ночь. Но растения в действительности куда гибче. Они могут приспосабливаться к колебаниям освещённости, перераспределять накопленные ресурсы и продолжать нормально развиваться в изменчивых условиях.
Поэтому именно с динамического света начались первые успешные эксперименты по гибкому управлению условиями. Были проведены разные эксперименты, в ходе которых учёные наблюдали за изменениями фотосинтеза, роста и качества урожая в условиях нетипичного освещения.
В одних опытах постепенно изменялась интенсивность освещения, а в других оно включалось в разные часы. Результаты оказались неожиданно многообещающими: урожай не снижался, а затраты энергии становились заметно меньше.
Свет и фотосинтез: растения как резервуар энергии
Фотосинтез у растений устроен так, что они не только используют свет «здесь и сейчас», но и умеют создавать с его помощью запасы энергии. Днём листья накапливают углеводы, ночью и в периоды слабого света эти резервы перераспределяются и поддерживают рост.
Благодаря этому растения можно рассматривать как резервуар энергии: он наполняется при ярком свете и расходуется в темноте. Именно эта особенность позволяет без потерь переносить колебания освещённости.
Продолжая эту метафору, можно сказать, что «переполнение» этого «резервуара» не даёт заметного положительного эффекта. Это значит, что при длинном и «ровном» световом дне есть часы, когда энергия используется с меньшей эффективностью.
Есть ряд экспериментов, подтверждающих это на практике. В них учёные:
- чередовали часы высокой и низкой интенсивности,
- сдвигали пики освещения на ночное время, когда электричество дешевле,
- меняли продолжительность световых импульсов.
Всё это позволило заметно снизить затраты на освещение без снижения урожайности. Более того, в некоторых случаях фотосинтез шёл даже эффективнее, а конечное качество продукции повышалось.
Экономика динамического света
Освещение — главный «пожиратель энергии» в вертикальных фермах. По разным оценкам, на свет уходит до 50–70% всех регулярных затрат. Поэтому динамическое управление лампами даёт наибольший экономический эффект.
Во-первых, фермер может сдвигать пики потребления на те часы, когда электричество стоит дешевле. В некоторых странах и регионах разница между дневным и ночным тарифом может быть очень ощутимой. Если лампы работают ночью или в периоды низкой нагрузки на сеть, себестоимость продукции сразу снижается.
Во-вторых, исследования показали, что растения зачастую лучше используют «импульсный» свет, чем ровный. Это открывает путь к экономии не только на тарифах, но и на самом количестве подаваемого света. Другими словами, та же урожайность может достигаться при меньшем DLI.
Для бизнеса это означает двойную выгоду:
- Снижение счёта за электричество с помощью грамотного расписания.
- Сокращение потребности в свете без ущерба для урожая.
Свет и качество урожая
Динамическое освещение влияет не только на скорость роста, но и на свойства самой продукции. В последние годы исследователи активно изучают так называемые финишные обработки — изменения условий в конце цикла, перед сбором урожая.
Эксперименты показывают, что если за несколько дней до уборки урожая изменить спектр или режим подсветки, можно добиться ощутимых улучшений:
- повысить содержание антиоксидантов и витаминов,
- сделать вкус более насыщенным,
- продлить срок хранения за счёт замедления процессов старения,
- улучшить внешний вид (цвет, текстура, аромат).
К примеру, у салата и шпината под действием синих и ультрафиолетовых диодов в финишный период увеличивалась концентрация полезных фитохимических соединений. А если вовремя подсвечивать томаты и клубнику определёнными спектрами, можно получить более яркую окраску плодов и плотную мякоть.
Поиск конкретных надёжных решений и алгоритмов ещё продолжается. Но даже сам факт того, что с помощью света можно производить тонкую настройку качества урожая, уже впечатляет.
Не светом единым
Хотя именно освещение остаётся главным объектом экспериментов, динамическое управление может распространяться и на другие факторы среды. В вертикальной ферме практически всё работает по принципу «константы»:
- температура;
- влажность;
- уровень CO₂;
- состав питательного раствора.
Эталонные значения этих показателей меняются 1–2 раза за цикл или не меняются вовсе. Но растения и здесь способны к гибкой реакции. Параметрами среды можно управлять обдуманно, повышая эффективность культивации.
Дальше мы коротко рассмотрим, как такая динамика может работать для каждого фактора.
Температура
Режим, при котором на ферме воздух одинаково тёплый днём и ночью, прост для управления, но расходует много энергии и не отражает реальных потребностей растений.
В природе большинство культур развиваются в условиях суточных колебаний: днём теплее, ночью прохладнее. Такие перепады помогают им регулировать рост. Более высокая дневная температура стимулирует фотосинтез и наращивание биомассы, а ночное охлаждение замедляет дыхание и снижает лишние потери углеводов.
Эксперименты показывают, что управление обогревом по принципу «день–ночь» (так называемое DIF-управление) влияет на морфологию растений:
- При большом перепаде дневного тепла и ночного холода стебли становятся короче и крепче;
- При ровной температуре они сильнее вытягиваются.
Конкретно эта тема не нова. Ночная прохлада используется на фермах давно. Важно то, что температура тоже может быть динамически изменяемым фактором. Возможно, вскоре появятся новые исследования, которые покажут, что и в течение дня не обязательно поддерживать одинаковый уровень тепла на ферме.
Углекислый газ
Известно, что увеличение концентрации CO₂ во время интенсивного освещения может повысить эффективность фотосинтеза. Когда в воздухе не 400 ppm, как в атмосфере, а 800–1200 ppm, рост идёт быстрее. Поэтому на технологичных фермах в «дневное время» обычно поддерживается стабильно высокий уровень CO₂.
Однако исследователи подчёркивают, что потребность в углекислом газе у растений не одинакова на протяжении дня: она растёт и падает вместе с интенсивностью освещения.
Отсюда новая идея — синхронизировать подачу CO₂ с паттерном света.
Если использовать нестандартный режим освещения, то и подачу углекислого газа стоит повышать именно в моменты пикового облучения.
Такая стратегия позволяет:
- Сократить расход CO₂ без потерь для фотосинтеза;
- Сделать систему более гибкой;
- Связать «дыхание растений» с режимами динамического освещения.
Влажность и режим полива
Процент влажности воздуха для большинства из нас — константа, которая может меняться разве что в соответствии с фазой жизненного цикла растения. Полив мы тоже производим по несложному алгоритму.
На практике же растения постоянно балансируют между транспирацией (испарением влаги через листья) и водоснабжением из корней. Колебания влажности и доступности воды влияют не только на рост, но и на форму растений: контролируемые изменения помогают управлять вытягиванием побегов.
Учёные отмечают, что динамическое управление влажностью может усиливать транспирацию питательных веществ и влиять на морфологию растений. Это направление пока исследуется, но выглядит перспективным.
Питательный раствор
В гидропонных установках принято держать параметры раствора стабильными: электропроводность (EC) и pH стараются не менять, чтобы не тревожить растения. Но исследования показывают, что многие культуры могут реагировать на их колебания не только негативно.
Эксперименты с кратковременными изменениями EC в рамках допустимого диапазона показали:
- при более высоких значениях растения становились компактнее, с более короткими побегами;
- при более низких — сильнее вытягивались.
То есть сама по себе динамика параметров раствора может быть инструментом естественного управления морфологией. Дальше пока идут скорее предположения. Возможно, перспективные исследования в этой области предложат нам какие-то необычные схемы питания.
Мониторинг и «умные алгоритмы»
Динамическое управление невозможно без постоянного наблюдения за состоянием растений. Автоматизация, основанная на условиях среды, нам уже не удивительна. Но она опирается на показания внешних факторов. Сегодня же на первый план выходят системы мониторинга самого растения.
Для этого существует целый набор инструментов:
- Гиперспектральные камеры — фиксируют, как листья отражают свет, что позволяет судить об интенсивности фотосинтеза.
- Тепловизоры — показывают температуру листьев и помогают понять эффективность транспирации.
- Газоанализаторы — отслеживают потоки CO₂ и воды, то есть «дыхание» растений.
Данные, полученные от всех этих приборов, можно обрабатывать с помощью алгоритмов машинного обучения. Модели способны находить связи между условиями в ферме и ответом растения, а затем подсказывать, какой режим света, питания или климата будет оптимальным.
Должным образом обученные специфичные модели (под конкретную культуру или предприятие) пока кажутся фантастикой. Но их появление — вопрос времени.
Селекция под вертикальные фермы
Большинство культур, которые выращивают в вертикальных фермах, были выведены для теплиц или открытого грунта. Эти сорта не всегда идеально реагируют на искусственный свет и стабильный климат. Тем более они пока не адаптированы к динамическому управлению.
Учёные подчёркивают: будущее вертикального земледелия невозможно без специальной селекции. Нужны генетические линии, которые будут лучше использовать переменный свет, быстрее адаптироваться к колебаниям температуры или питания и давать урожай высокого качества в закрытых системах.
В перспективе должна появиться система «замкнутого круга»:
- Фермеры тестируют разные режимы динамики;
- Сенсоры фиксируют реакцию растений;
- Алгоритмы подсказывают, какие генотипы работают лучше;
- Селекционеры закрепляют эти признаки в новых сортах.
Так вертикальное земледелие получит собственный «набор культур», так же, как в своё время тепличная индустрия получила свои специализированные гибриды томатов и огурцов.
Итоги
Динамическое управление — это следующий шаг в развитии концепции вертикальных ферм. В будущем они будут подстраиваться под ритмы растений и колебания внешних ресурсов.
Основной инструмент — свет. Эксперименты уже доказали: динамическое освещение может снижать расходы на электроэнергию и одновременно улучшать качество урожая.
Другие факторы — температура, CO₂, влажность, питание — пока изучены меньше, но их потенциал очевиден. Для корректного управления ими необходим контроль внутренних параметров растения и обученный алгоритм, который будет всё это обрабатывать.
Идеальная вертикальная ферма станет гибкой системой, реагирующей на потребности растений в реальном времени.
Дальше в дело вступит селекция. Новые сорта, выведенные специально для динамических условий, позволят раскрыть весь потенциал технологий.
И тогда вертикальное земледелие будет ассоциироваться с органичными системами, в которых живое и технологичное работают в одном ритме.
Возможно, я в этом слишком оптимистичен? Пусть так, но это хорошая идея, к которой можно стремиться.
