Mehr Salat auf weniger Platz anbauen oder Salat anbauen (mehr oder weniger). - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Dies ist eine professionelle Einreichung für den Growing Beyond Earth, Maker Contest, eingereicht über Instructables.

Ich könnte nicht aufgeregter sein, für die Weltraumpflanzenproduktion zu entwerfen und mein erstes Instructable zu veröffentlichen.

Zu Beginn bat uns der Wettbewerb,

„… reichen Sie eine Anleitung ein, die das Design und den Bau Ihrer Pflanzenwachstumskammer detailliert beschreibt, die (1) in ein Volumen von 50 cm x 50 cm x 50 cm passt, (2) alle Funktionen enthält, die zur Aufrechterhaltung des Pflanzenwachstums erforderlich sind, dh künstliches Licht, ein Bewässerungssystem, und Mittel der Luftzirkulation, und (3) das Innenvolumen effektiv und erfinderisch nutzt, um möglichst viele Pflanzen anzubauen und erfolgreich zu züchten.“

Nachdem ich die Wettbewerbsanforderungen und FAQs gelesen hatte, habe ich im Designprozess die folgenden Annahmen getroffen.

Einmal wöchentlich geplante Interaktion mit „dem Projekt“durch einen Astronauten wäre akzeptabel und würde den Aspekt der automatischen Steuerung in den Wettbewerbskriterien nicht aufheben.

Das Netzteil für „das Projekt“kann außerhalb der 50 cm3 untergebracht werden, da die ISS die Einheit mit Strom versorgen würde, wenn die Einheit im Weltraum wäre. Die Kühlung für die LEDs innerhalb des „Projekts“kann außerhalb der 50 cm3 erfolgen, da die ISS die Einheit mit Kühlung versorgen kann, wenn sich die Einheit im Weltraum befindet.

Der „Benutzer“kann für die geplante wöchentliche Wartung uneingeschränkten Zugriff auf die Oberseite und 4 Seiten des 50 cm3 Volumens haben, jedoch ungeplante Probleme nicht ausschließen, sollte ein ungeplantes Problem mit „dem Projekt“auftreten.

Als nächstes habe ich die Parameter für den Wettbewerb gesammelt

Projektdaten

Wasser: 100 ml/Pflanze/Tag (empfohlen)

Beleuchtung: 300-400 µmol/M2/s innerhalb von PAR 400-700nm (empfohlen)

Lichtzyklus: 12/12

Lichtart: LED (empfohlen)

Luftzirkulation: für 2,35 cf / 0,0665 m3 (Wachstumsbereich meines Designs)

Temperatur auf der ISS: 18,3 bis 26,7 °C (als Referenz)

Pflanzenart: Roter Römersalat ‘Outredgeous’

Reife Pflanzengröße: 15cm hoch und 15cm im Durchmesser

Grow-System: (Wahl des Designers)

Lieferungen

Wir brauchen Vorräte

(Diese Teile werden für den Konzeptnachweis verwendet, sie sind wahrscheinlich NICHT für die Raumfahrt zugelassen)

1 – 0,187" 48"x96" Weißes ABS

3 – Mikrocontroller

1 – 1602 LCD-Anzeige

1 – Datenlogger-Schild für Nano

3 – Fotowiderstände

4 – AM2302-Sensoren

1 – DS18B20 Temperatursensor

1 – EC-Sensor, 1 – 15 mA 5 V optischer Flüssigkeitsstand

1 – DS3231 für Pi (RTC)

…und mehr Zubehör

1 – Peristaltische Dosierpumpe

1 – 12V Wasserpumpe

1 – Piezo-Summer

3 – 220 Ohm Widerstände

1 – DPST-Schalter

1 – 265-275 nm UVC-Sterilisator

24 – 1½” Hygienekappen

1 – Magnetrührstufe Flüssig/Luft

1 – Tropfenkontrollkopf, 8 Zeilen

1 – Tropfbewässerungsschlauch

1 – Ersatzwasserbehälter

1 – ½ ID PVC-Rohr

70 – Schrauben zur Befestigung von LEDs

18 AWG & 22 AWG Draht

1 – Schrumpfschlauch

1 – Aluminium für LED-Kühlkörper

5 – 6 mm hohe taktile Schalter

4 – 1 Ohm, 1 Watt Widerstände

1 – Pkg Samen „Outredgeous“Salat

…und mehr

1 – 400W Boost-Board

32 – 3W weiße LEDs, (6000-6500k)

1 – 24V / 12V / 5V / 3,3V Netzteil

8 – 40 mm Computerlüfter

11 – 5V Optoisolierte Relais

10 – 1N4007 Rücklaufdiode

24 – Steinwolldübel

1 – Hydroponische Nährstoffe

1 – Nährstoffbehälter

1 – Mylar-Folie

…und Werkzeuge

Lösungsmittel zum Kleben

Sah

Lochsägen

Lötkolben

Lot

Bohren

Bohrer

Schraubendreher

Rechner

USB-Kabel

Arduino IDE-Software

Schritt 1: Vergleich des aktuellen „VEGGIE“-Systems

Das „VEGGIE“-System auf der ISS kann in 28 Tagen (4 Wochen) 6 Salatköpfe anbauen. Wenn „VEGGIE“6 Monate laufen würde (die durchschnittliche Zeit, die ein Astronaut an Bord der ISS ist), würde es 36 Salatköpfe mit zusätzlichen 6 Salatköpfen anbauen, die zwei Wochen alt waren. Für eine dreiköpfige Crew ist das zweimal im Monat frisches Gemüse.

Das GARTH-Projekt wird in 28 Tagen (4 Wochen) 6 Salatköpfe anbauen. ABER.. wenn es 6 Monate lang lief, würden 138 Salatköpfe wachsen, mit zusätzlichen 18 Salatköpfen in verschiedenen Wachstumsstadien. Für eine dreiköpfige Crew ist das 7½-mal im Monat oder fast zweimal in der Woche frisches Gemüse.

Wenn das Ihre Aufmerksamkeit erregt… schauen wir uns das Design genauer an

Schritt 2: Das GARTH-Projekt

Ressourcentechnologie zur Wachstumsautomatisierung für den Gartenbau

(Fotos des GARTH-Projekts zeigen ein Modell in Originalgröße, hergestellt aus Dollar Store-Schaumkernplatten)

Das GARTH-Projekt maximiert die Produktivität durch den Einsatz von 4 separaten optimierten Wachstumsbereichen. Es umfasst auch automatische Steuerungssysteme für Beleuchtung, Luftqualität, Wasserqualität und Wasseraustausch.

32, weiße 6000K LED-Leuchten erfüllen die empfohlenen PAR-Anforderungen. Ein Luftzirkulationssystem mit zwei Ventilatoren und ein Belüftungssystem mit vier Ventilatoren wurden eingebaut, um die Innenumgebung zu erhalten, und ein automatisches, selbstoptimierendes Nutrient Thin Film (NTF)-Hydrokultursystem wurde gewählt, um die Pflanzen zu füttern und zu überwachen. Verdunstungsersatzwasser wird in einem separaten Reservoir im oberen Speicherbereich in der Nähe eines ständig gerührten Flüssignährstoffreservoirs gehalten, das benötigt wird, um das Nährstoffniveau im Hydrokultursystem mit Hilfe eines Astronauten aufrechtzuerhalten. Die gesamte Energie wird vom oberen Speicherbereich aus zugeführt, betrieben und verteilt.

Schritt 3: Designmerkmale

Die vier Wachstumsfelder

1. Stufe (Keimung), für 0-1 Wochen alte Samen, ca. 750 cc Wachstumsraum

2. Stufe, für 1-2 Wochen alte Pflanzen, ca. 3.600 cc Wachstumsfläche

3. Stufe, für 2-3 Wochen alte Pflanzen, ca. 11.000 cc Wachstumsfläche

4. Stufe, für 3-4 Wochen alte Pflanzen, ca. 45.000 cc Wachstumsfläche

(Die Bereiche der 1. und 2. Stufe sind auf einem herausnehmbaren Tablett kombiniert, um das Pflanzen, die Wartung und die Reinigung zu erleichtern)

Schritt 4: Beleuchtungssystem

Die Beleuchtung war ohne Zugang zu einem PAR-Meter schwierig, glücklicherweise hatte der Wettbewerb Mr. Dewitt vom Fairchild Tropical Botanic Garden, der sich mit Fragen an ihn wenden konnte. Er hat mich auf Diagramme verwiesen, die sehr hilfreich waren und diese Diagramme führten mich auch zu led.linear1. Mit den Diagrammen und der Website konnte ich meinen Beleuchtungs- und Schaltungsbedarf berechnen.

Mein Design verwendet 26,4 V Quellenspannung, um 4 Arrays von 8, 3 Watt LEDs in Reihe mit 1 Ohm, 1 Watt Widerständen zu betreiben. Ich werde eine 24-V-Versorgung und einen Boost-Wandler verwenden, um den Konstantstrom auf 26,4 V zu erhöhen. (An Bord der ISS würde mein Design die verfügbaren 27 V und einen Buck-Konverter verwenden, um die Spannung zu senken und den konstanten Strom von 26,4 V bereitzustellen.)

Dies ist die Stückliste für das Beleuchtungssystem.

32, Weiß 6000-6500k, 600mA, DC 3V–3,4V, 3W LEDs

4, 1 Ohm – 1W Widerstände

1, 12A 400W Boost-Wandler

1, 40-mm-Lüfter

1, thermistor

1, DS3231 für Pi (RTC) oder Datenlogger

18 AWG-Draht

…und so plane ich, diese zweiunddreißig 3W-LEDs zu verwenden.

Eine LED in Stufe 1, vier in Stufe 2 und neun in Stufe 3. Die letzten achtzehn LEDs werden Stufe 4 beleuchten und uns zu einer satten Gesamtleistung von 96 Watt bei etwa 2,4 Ampere bringen.

Schritt 5: Luftzirkulations- und Entlüftungssystem

(Bitte denken Sie daran, dass die Sanitär- und Elektroverkabelung nicht vollständig ist. Dies sind Fotos eines Modells des vorgeschlagenen Systems.)

Die Zirkulation wird mit zwei 40-mm-Lüftern erreicht. Ein Schublüfter, der aus dem Kanal oben links hinten in die 4. Stufe bläst. Die Luft strömt über die 4. Stufe und in die Vorderseite der 3. Stufe, dann durch die 3. Stufe und hinten (über einen kurzen Kanal nach oben und um die 1. Stufe herum) in die Rückseite der 2. Stufe. Ein Zugventilator im Kanal über der 2. Stufe saugt die Luft durch die 2. Stufe und aus der rechten vorderen oberen Ecke. Abschluss der Reise durch das Luftzirkulationssystem.

Die Entlüftung der 4. Stufe erfolgt direkt aus der oberen Rückwand. Die 3. Stufe wird auch durch ihre obere Rückwand entlüftet. Die 2. Stufe wird direkt durch die Oberseite belüftet und die Keimungsstufe (Stufe 1) entlüftet die Rückwand, ähnlich wie bei den Stufen 3 und 4.

Schritt 6: NFT Hydroponik-System

(Die EC-Sonde, Temperatursonde, Füllstandssensor, Schläuche für den Verdunstungsaustausch vom Frischwasserbehälter und Schläuche, die die Sumpfpumpe mit den Kanälen verbinden, befinden sich alle hier im Sumpf, wurden aber auf diesem Foto nicht gezeigt)

Das System umfasst einen 9000+ml/cc Sumpf, einen 7000+ml//cc Frischwassertank zum Austausch der Verdunstung, eine 12V 800L/Stunde Wasserpumpe, einen UV-C Sterilisator um alle Algen im Wasser abzutöten, das in den Verstellbarer 8-Port-Durchflussverteiler, ein Belüftungsturm mit Gegenstromgebläse zum Belüften des abwärts fließenden Wassers aus Stufe 2 und des Abluftwassers der Rührstufe, ein Flüssigkeitsstandsensor, ein EC-Sensor, ein Wassertemperatursensor, eine peristaltische Pumpe, die aus dem Nährstoffreservoir dosiert, eine Rührstufe, die die Nährstoffe im Reservoir in Lösung hält, und fünf Wachstumströge oder -kanäle. Die fünf Wachstumskanäle, die Rührstufe und der Belüftungsturm erhalten Wasser aus dem einstellbaren Durchflussverteiler mit 8 Anschlüssen zur Wasserpumpe, UV-C-Sterilisator und peristaltischen Pumpen-Nährstoffdosierer. Dadurch kann der "Benutzer" sicher am Hydrokultursystem arbeiten, ohne sich selbst oder die Pflanzen zu gefährden.

Schritt 7: Automatisches Nährstoffzufuhrsystem

Ich verwende für dieses Projekt den von Michael Ratcliffe entwickelten "Self Optimizing Automated Arduino Nutrient Doser". Ich habe seinen Sketch an mein System und meine Hardware angepasst und verwende Michaels „Three Dollar EC – PPM Meter“als EC-Sensor.

Informationen oder Anleitungen zu diesen beiden Projekten finden Sie unter: element14, hackaday oder michaelratcliffe

Schritt 8: Die Elektronik der Automatisierungssysteme

Das Beleuchtungssystem verwendet einen Arduino-Mikrocontroller, einen DS3231 für Pi (RTC), ein 4-Relais-Modul, vier 1 Ohm – 1 Watt-Widerstände, zweiunddreißig weiße 3W-LEDs, einen 400-W-Boost-Konverter, drei Fotowiderstände, einen 40-mm-Computer Lüfter und ein Thermistor. Der Mikrocontroller verwendet die RTC, um die Lichter in einem 12-Stunden-Ein- und 12-Stunden-Aus-Zyklus zu schalten. Es überwacht die Lichtstärke in der 2., 3. und 4. Stufe mit Fotowiderständen und warnt mit einem LED/Piezo-Alarm, wenn es während eines Licht-Ein-Zyklus in irgendeiner Stufe eine niedrige Lichtstärke erkennt. Die Temperatur der LED-Treiberplatine wird von einem Thermistor überwacht, der in Reihe mit dem 40-mm-Lüfter verbunden ist, und beginnt automatisch mit der Kühlung, wenn genügend Wärme erkannt wird.

Das Nährstoffzufuhrsystem wurde von Michael Ratcliffe entwickelt. Das System verwendet einen Arduino Mega, eine von Michaels EC-Sondenideen, einen 1602 LCD-Tastatur-Displayschild, einen DS18B20-Wassertemperatursensor, eine 12-V-Peristaltik-Dosierpumpe und ein optoisoliertes 5-V-Relais. Ich habe einen optischen Flüssigkeitsstandsensor hinzugefügt. Das System überwacht die EC- und Wassertemperatur und aktiviert die peristaltische Pumpe, um die Nährstoffe nach Bedarf zu dosieren. Der Mikrocontroller überwacht den Wasserstand im Sumpf und warnt mit einem LED/Piezo-Alarm, wenn die Wassertemperatur des Sumpfs außerhalb des vom Benutzer eingestellten Bereichs liegt, wenn die EC-Sensordaten länger als der vom Benutzer eingestellte Bereich außerhalb des vom Benutzer eingestellten Bereichs liegen oder wenn der Wasserstand des Sumpfes unter das vom Benutzer eingestellte Niveau sinkt.

Das Luftzirkulationssystem besteht aus einem Arduino-Mikrocontroller, vier AM2302-Sensoren, sechs 40-mm-Computerlüftern (zwei Luftzirkulationslüfter für die 2., 3. für die Fans). Der Controller überwacht die Lufttemperatur und -feuchtigkeit in allen 4 Stufen und startet automatisch das Zwei-Lüfter-Zirkulationssystem oder die einzelnen Lüfterstufen, um die Temperatur und Luftfeuchtigkeit innerhalb der vom Benutzer eingestellten Bereiche zu halten. Der Controller stellt und steuert auch das Timing des UV-C-Sterilisators und hält einen LED-/Piezo-Alarm aufrecht, falls die Temperatur oder Luftfeuchtigkeit in einer der 4 Stufen die vom Benutzer eingestellten Werte überschreitet.

Schritt 9: Der Build

Das 50-cm3-Gehäuse, die Kanäle, der Frischwasserverdunstungs-Ersatzbehälter, der Belüftungsturm, der zentrale Luftzirkulationskanal, die Schublade der 1. Schwarzes ABS. Die Frontvorhänge für die Bühnen sind auf dem Mock-Up in Mylar-Folie gezeigt, würden aber beim tatsächlichen Prototyp höchstwahrscheinlich aus reflektierend beschichtetem Acryl oder Polycarbonat bestehen. Die Beleuchtung (nicht abgebildet, aber bestehend aus 4 Arrays von 8, 3W LEDs in Reihe) wird auf ca. 0,125" Aluminiumblech mit 0,125" Kupferrohren, die auf der Oberseite für Flüssigkeitskühlung gelötet sind, montiert (diese Kühlung würde von der Rückseite ein- und austreten) des Geräts, um nicht wettbewerbsbezogene Kühler zu trennen.) Die Verrohrung von NTF-Wasser zu Stufe 1 und 2 (wird auf keinem der Fotos gezeigt, aber) würde über eine Schnellverbindung an der Vorderseite der 2. Stufe angeschlossen.

Der Boost-Konverter (auf dem Foto des oberen Lagerbereichs gezeigt) kann unter die Keimschale (Stufe 1) verlegt werden, um zusätzliche Wärme für die Keimung bereitzustellen. Die AM2302, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren (nicht abgebildet), werden in jeder Stufe hoch angebracht (außerhalb des regelmäßig geplanten Luftzirkulationspfads).

Das Design scheint überhaupt nicht an den Raum zu denken,

aber das ist nicht der Fall. Mein hier beschriebenes NTF-System ist nicht für den Weltraum optimiert oder modifiziert, aber NTF-Hydroponik-Systeme sind ernsthafte Anwärter auf die einzigartigen Bedürfnisse von Weltraumkulturen in der Mikrogravitation und ich habe Ideen für die Raumoptimierung.

Der Wettbewerb forderte uns auf, ein System zu entwerfen, das mehr Pflanzen in einem definierten Raum züchtete und das Design so weit wie möglich zu automatisieren.

Die für Phase 2 ausgewählten Designs müssen zuerst Pflanzen auf der Erde anbauen. Ich glaube, mein Design erfüllt alle Anforderungen des Wettbewerbs und respektiert dabei den tatsächlichen Platzbedarf für Pflanzenwachstum, Luftzirkulation, automatisierte Umgebungskontrollen und Verbrauchsmaterialien für die Pflanzen von einer Woche. Alles innerhalb des Raums von 50 cm3, der uns gegeben wurde.

Schritt 10: Um es einzuwickeln

Die Automatisierung von The GARTH Project reduziert die erforderliche Aufmerksamkeit auf einmal pro Woche.

Ein siebenfach geringerer Wartungsaufwand im Vergleich zum "VEGGIE"-System.

Sechs Anlagen starteten wöchentlich im GARTH-Projekt.

Eine Vervierfachung der Produktion im Vergleich zu sechs monatlich gestarteten Werken im „VEGGIE“-System.

Ich halte diese Veränderungen für effektiv, erfinderisch und effizient.

Ich hoffe, Sie werden es auch.

Zweiter Platz beim Growing Beyond Earth Maker-Wettbewerb