Meer sla kweken in minder ruimte of Sla groeien in de ruimte, (meer of minder). - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Dit is een professionele inzending voor de Growing Beyond Earth, Maker Contest, ingediend via Instructables.

Ik zou niet enthousiaster kunnen zijn om te ontwerpen voor de productie van ruimtegewassen en mijn eerste Instructable te posten.

Om te beginnen vroeg de wedstrijd ons om

… dien een Instructable in met details over het ontwerp en de bouw van uw plantengroeikamer die (1) past in een volume van 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) alle functies bevat die nodig zijn om plantengroei te ondersteunen, dwz kunstlicht, een irrigatiesysteem, en middelen voor het circuleren van lucht, en (3) effectief en inventief gebruik maakt van het binnenvolume om zoveel mogelijk planten te passen en met succes te laten groeien.”

Na het lezen van de wedstrijdvereisten en FAQ's, maakte ik de volgende aannames in het ontwerpproces.

Een wekelijkse geplande interactie met "het project" door een astronaut zou acceptabel zijn en zou het automatische controleaspect in de wedstrijdcriteria niet ongeldig maken.

De PSU voor "het project" kan buiten de 50 cm3 worden geplaatst, aangezien het ISS de eenheid van stroom zou voorzien als de eenheid zich in de ruimte zou bevinden. Koeling voor de LED's binnenin “het project” kan ontstaan buiten de 50cm3, aangezien het ISS koeling kan leveren aan de unit, als de unit zich in de ruimte zou bevinden.

“Gebruiker” kan onbeperkte toegang hebben tot de boven- en 4 zijden van het 50 cm3 volume voor het geplande wekelijkse onderhoud, maar sluit ongeplande problemen niet uit, mocht zich een ongepland probleem voordoen met “het project”.

Vervolgens verzamelde ik de parameters voor de wedstrijd

Projectgegevens

Water: 100 ml/plant/dag (aanbevolen)

Verlichting: 300-400 ?mol/M2/s binnen PAR 400-700nm (aanbevolen)

Lichtcyclus: 12/12

Lichttype: LED (aanbevolen)

Luchtcirculatie: voor 2,35cf/0,0665m3 (het groeigebied van mijn ontwerp)

Temperatuur op ISS: 65 tot 80˚F / 18,3 tot 26,7°C (ter referentie)

Type plant: ‘Outredgeous’ Rode Romaine sla

Grootte volwassen plant: 15 cm hoog en 15 cm in diameter

Kweeksysteem: (keuze van de ontwerper)

Benodigdheden

We hebben voorraden nodig

(Deze onderdelen worden gebruikt voor proof of concept, ze zijn waarschijnlijk NIET goedgekeurd voor ruimtevaart)

1 – 0,187” 48”x96” Wit ABS

3 – Microcontrollers

1 – 1602 LCD-scherm

1 – Datalogger-schild voor Nano

3 – Fotoweerstanden

4 – AM2302-sensoren

1 – DS18B20 temperatuursensor

1 – EC-sensor, 1 – 15mA 5V optisch vloeistofniveau

1 – DS3231 voor Pi (RTC)

…en meer benodigdheden

1 – Peristaltische doseerpomp

1 – 12V waterpomp

1 – Piëzo-zoemers

3 – 220 Ohm weerstanden

1 – DPST-schakelaar

1 – 265-275nm UVC-sterilisator

24 – 1½” sanitaire doppen

1 – Vloeistof/Lucht magnetische roertrap

1 – Druppelcontrolekop, 8 lijnen

1 – Druppelbevloeiingsslang

1 – Vervangend waterreservoir

1 – ½ ID PVC-buis

70 – Schroeven voor het bevestigen van LED's

18 AWG & 22 AWG draad

1 – Krimpkous

1 – Aluminium voor LED-koellichaam

5 – 6 mm hoge tactiele schakelaars

4 – 1 Ohm, 1 Watt weerstanden

1 – Pkg zaden “Outredgeous” sla

…en meer

1 – 400W Boost-kaart

32 – 3W witte LED's, (6000-6500k)

1 – 24V / 12V / 5V / 3.3V PSU

8 – 40 mm computerventilatoren

11 – 5V Opto geïsoleerde relais

10 – 1N4007 flyback-diode

24 – Steenwol pluggen

1 – Hydrocultuur voedingsstoffen

1 – Voedingscontainer

1 – Mylar-folie

…en gereedschap

Oplosmiddel om te lijmen

Zaag

Gatenzagen

Soldeerbout

Soldeer

Oefening

Boren

Schroevendraaiers

Computer

USB-kabel

Arduino IDE-software

Stap 1: Het huidige "VEGGIE" -systeem vergelijken

Het "VEGGIE"-systeem op ISS kan 6 kroppen sla groeien in 28 dagen (4 weken). Als "VEGGIE" 6 maanden zou draaien (de gemiddelde tijd dat een astronaut aan boord van het ISS is), zou het 36 kroppen sla groeien met nog eens 6 kroppen die twee weken oud waren. Voor een bemanning van 3 is dat twee keer per maand verse groenten.

Het GARTH-project zal in 28 dagen (4 weken) 6 kroppen sla telen. MAAR.. als het 6 maanden zou draaien, zou het 138 kroppen sla groeien, met nog eens 18 kroppen in verschillende groeistadia. Voor een bemanning van 3 is dat 7½ keer per maand verse groenten, of bijna twee keer per week.

Als dat je aandacht trekt… laten we het ontwerp eens nader bekijken

Stap 2: Het GATH-project

Groeiautomatisering Hulpbronnentechnologie voor de tuinbouw

(Foto's van het GARTH-project zijn van een mock-up op ware grootte, gemaakt van Dollar Store-schuimkernplaat)

Het GARTH-project maximaliseert de productiviteit door het gebruik van 4 afzonderlijke geoptimaliseerde groeigebieden. Het omvat ook automatische controlesystemen voor verlichting, luchtkwaliteit, waterkwaliteit en watervervanging.

32, witte 6000K LED-lampen voldoen aan de voorgestelde PAR-vereisten. Een luchtcirculatiesysteem met twee ventilatoren en een ventilatiesysteem met vier ventilatoren werden ingebouwd om de binnenomgeving te behouden, en er werd gekozen voor een geautomatiseerd, zelfoptimaliserend Nutrient Thin Film (NTF) hydrocultuursysteem om de planten te voeden en te bewaken. Verdampingsvervangend water wordt bewaard in een apart reservoir in de bovenste opslagruimte in de buurt van een constant geroerd reservoir met vloeibare voedingsstoffen, dat nodig is om het voedingsniveau in het hydrocultuursysteem op peil te houden zonder hulp van een astronaut. Alle stroom komt binnen, werkt en wordt verdeeld vanuit de bovenste opslagruimte.

Stap 3: Ontwerpkenmerken

De vier groeigebieden

1e fase (kieming), voor 0-1 weken oude zaden, ongeveer 750 cc groeiruimte

2e fase, voor planten van 1-2 weken oud, ongeveer 3.600 cc groeiruimte

3e fase, voor 2-3 weken oude planten, ongeveer 11.000 cc groeiruimte

4e fase, voor 3-4 weken oude planten, ongeveer 45.000 cc groeiruimte

(De 1e en 2e fase gebieden zijn gecombineerd op een verwijderbare bak om het planten, onderhoud en reiniging te vergemakkelijken)

Stap 4: Verlichtingssysteem

Verlichting was moeilijk zonder toegang tot een PAR-meter, gelukkig had de wedstrijd de heer Dewitt van Fairchild Tropical Botanic Garden, om met vragen naar toe te gaan. Hij stuurde me naar grafieken die erg nuttig waren en die grafieken leidden me ook naar led.linear1. Met de grafieken en de website kon ik mijn behoeften aan verlichting en circuits berekenen.

Mijn ontwerp gebruikt 26,4 V bronspanning om 4 arrays van 8, 3 watt LED's in serie te laten lopen met 1 ohm, 1 watt-weerstanden. Ik zal een 24V-voeding en een Boost-converter gebruiken om de constante stroom naar de 26,4V te verhogen. (Aan boord van het ISS zou mijn ontwerp de 27V gebruiken die beschikbaar is en een Buck-converter om de spanning te verlagen en de constante stroom van 26,4V te leveren)

Dit is de onderdelenlijst voor het verlichtingssysteem.

32, wit 6000-6500k, 600mA, DC 3V–3,4V, 3W LED's

4, 1 ohm – 1W weerstanden

1, 12A 400W boost-converter

1, 40 mm ventilator

1, thermistor

1, DS3231 voor Pi (RTC) of datalogger

18 AWG-draad

…en dit is hoe ik van plan ben die tweeëndertig, 3W LED's te gebruiken.

Eén LED in fase 1, vier in fase 2 en negen in fase 3. De laatste achttien LED's zullen fase 4 verlichten en ons op maar liefst 96 watt licht brengen bij ongeveer 2,4 ampère.

Stap 5: Luchtcirculatie- en ontluchtingssysteem

(Houd er rekening mee dat het sanitair en de elektrische bedrading niet compleet zijn. Dit zijn foto's van een mock-up van het voorgestelde systeem)

Circulatie wordt bereikt met twee 40 mm ventilatoren. Een duwventilator die vanuit het kanaal linksboven achter in de 4e trap blaast. De lucht stroomt over de 4e trap en naar de voorkant van de 3e trap, dan door de 3e trap en via de achterkant (omhoog en rond de 1e trap, via een kort kanaal) naar de achterkant van de 2e trap. Een trekventilator in het kanaal boven de 2e trap zuigt de lucht door de 2e trap en uit de rechter voorste bovenhoek. Het voltooien van de reis door het luchtcirculatiesysteem.

De ventilatie van de 4e trap komt rechtstreeks uit de bovenste achterwand. De 3e trap zal ook via de bovenste achterwand ventileren. De 2e fase wordt recht door de bovenkant geventileerd en de kiemfase (fase 1) zal uit de achterwand worden ontlucht, vergelijkbaar met fase 3 en 4.

Stap 6: NFT hydrocultuur systeem

(De EC-sonde, temperatuursonde, vloeistofniveausensor, slangen voor verdamping van het zoetwaterreservoir en slangen die de sump-pomp verbinden met de kanalen, ze bevinden zich allemaal hier in de sump, maar werden niet getoond op deze foto)

Het systeem omvat een 9. 000+ml/cc opvangbak, een 7.000+ml//cc zoetwaterreservoir voor verdamping, een 12V 800L/uur waterpomp, een UV-C sterilisator om alle algen in het water dat de 8-poorts verstelbaar stroomspruitstuk, een beluchtingstoren met tegenstroomventilator om het naar beneden stromende water van fase 2 en het uitlaatwater van de roerfase te beluchten, een vloeistofniveausensor, een EC-sensor, een watertemperatuursensor, een peristaltische pomp die doseert vanuit het voedingsreservoir, een roertrap die de voedingsstoffen in oplossing houdt in het reservoir en vijf groeitroggen of -kanalen. De vijf groeikanalen, de roerfase, de beluchtingstoren ontvangen water van het 8-poorts instelbare stroomspruitstuk. Wanneer het hydrocultuursysteem moet worden onderhouden, zal een dubbelpolige enkelvoudige worp (DPST) uitschakelschakelaar op het voorpaneel de stroom uitschakelen naar de waterpomp, UV-C sterilisator en peristaltische pomp voedingsstoffen doseerder. Hierdoor kan de "gebruiker" veilig aan het hydrocultuursysteem werken zonder zichzelf of het gewas in gevaar te brengen.

Stap 7: Automatisch voedingssysteem

Ik gebruik de "Self Optimizing Automated Arduino Nutrient Doser", ontwikkeld door Michael Ratcliffe voor dit project. Ik heb zijn schets aangepast aan mijn systeem en hardware en ik gebruik Michael's “Three Dollar EC – PPM Meter” als mijn EC-sensor.

Informatie of instructies voor beide projecten zijn te vinden op: element14, hackaday of michaelratcliffe

Stap 8: De elektronica van de automatiseringssystemen

Het verlichtingssysteem maakt gebruik van een Arduino-microcontroller, een DS3231 voor Pi (RTC), een 4-relaismodule, vier 1 ohm - 1 watt-weerstanden, tweeëndertig 3W witte LED's, een 400W Boost-converter, drie fotoweerstanden, een 40 mm computer ventilator en een thermistor. De microcontroller gebruikt de RTC om de lichten te timen in een cyclus van 12 uur aan en 12 uur uit. Het bewaakt de lichtniveaus in de 2e, 3e en 4e fase met fotoweerstanden en waarschuwt met een LED/piëzo-alarm als het een laag lichtniveau detecteert in een willekeurige fase, tijdens een licht-aan-cyclus. De temperatuur van de LED-driverkaart wordt bewaakt door een thermistor die is aangesloten op de 40 mm-ventilator en begint automatisch te koelen wanneer er voldoende warmte wordt gedetecteerd.

Het Nutrient Delivery-systeem is ontwikkeld door Michael Ratcliffe. Het systeem maakt gebruik van een Arduino Mega, een van Michael's EC-sonde-ideeën, een 1602 LCD-toetsenbordscherm, een DS18B20 watertemperatuursensor, een 12V peristaltische doseerpomp en een 5V opto geïsoleerd relais. Ik heb een optische vloeistofniveausensor toegevoegd. Het systeem bewaakt de EC- en watertemperatuur en activeert de peristaltische pomp om de benodigde voedingsstoffen te doseren. De microcontroller bewaakt het waterniveau in de sump en waarschuwt met een LED/piëzo-alarm als de watertemperatuur van de sump buiten het door de gebruiker ingestelde bereik ligt, als de EC-sensorgegevens langer buiten het door de gebruiker ingestelde bereik vallen dan het door de gebruiker ingestelde bereik periode of als het waterniveau van de sump onder het door de gebruiker ingestelde niveau daalt.

Het luchtcirculatiesysteem zal bestaan uit een Arduino-microcontroller, vier AM2302-sensoren, zes 40 mm computerventilatoren (twee luchtcirculatieventilatoren voor de 2e, 3e en 4e trap en 4 ventilatieventilatoren), een UV-C-sterilisator en zes 5V opto-geïsoleerde relais (voor de fans). De controller bewaakt de luchttemperatuur en vochtigheid in alle 4 trappen en start automatisch het circulatiesysteem met twee ventilatoren of de ventilatieventilatoren met afzonderlijke trappen om de temperatuur en vochtigheid binnen de door de gebruiker ingestelde bereiken te houden. De controller zal ook de timing van de UV-C-sterilisator instellen en regelen en een LED/piëzo-alarm handhaven voor het geval de temperatuur of vochtigheid de door de gebruiker ingestelde niveaus in een van de 4 fasen overschrijdt.

Stap 9: Het bouwen

De 50 cm3 kast, de kanalen, het zoetwaterverdampingsreservoir, de beluchtingstoren, het centrale luchtcirculatiekanaal, de 1e & 2e fase lade, de dakschoren (niet afgebeeld) en de meeste andere ondersteunende constructies, zullen worden gebouwd van 0,187” Zwart ABS. De voorgordijnen voor de podia worden getoond in Mylar-film op de mock-up, maar zouden hoogstwaarschijnlijk gemaakt zijn van reflecterend gecoat acryl of polycarbonaat op het eigenlijke prototype. De verlichting (niet afgebeeld maar bestaande uit 4 reeksen van 8, 3W LED's in serie) zal worden gemonteerd op ongeveer 0,125" aluminium platen met 0,125" koperen buizen gesoldeerd aan de bovenzijde voor vloeistofkoeling (die koeling zou in- en uitgaan van de achterkant van de unit om een niet-wedstrijd gerelateerde koeler te scheiden).

De boost-converter (te zien op de foto van de bovenste opslagruimte) kan worden verplaatst onder de kiemlade (fase 1) om extra warmte voor kieming te leveren. De AM2302, temperatuur- en vochtigheidssensoren (niet afgebeeld), zullen hoog in elke fase worden geplaatst (buiten het regelmatig geplande luchtcirculatiepad)

Het ontwerp lijkt misschien helemaal niet aan de ruimte te denken,

maar dat is niet het geval. Mijn NTF-systeem dat hier wordt beschreven, is niet geoptimaliseerd of aangepast voor de ruimte, maar NTF-hydrocultuursystemen zijn serieuze kanshebbers voor de unieke behoeften van ruimtegewassen in microzwaartekracht en ik heb wel ideeën voor de optimalisatie van de ruimte.

De wedstrijd vroeg ons om een systeem te ontwerpen dat meer planten kweekte in een afgebakende ruimte en het ontwerp zoveel mogelijk te automatiseren.

De ontwerpen die voor Fase 2 zijn geselecteerd, moeten haar eerst op aarde laten groeien. Ik geloof dat mijn ontwerp voldoet aan alle eisen van de wedstrijd en het doet met respect voor de werkelijke ruimte die nodig is voor plantengroei, luchtcirculatie, geautomatiseerde omgevingscontroles en een week aan verbruiksartikelen voor de planten. Allemaal binnen de 50 cm3 ruimte die we kregen.

Stap 10: Om het af te ronden

De automatisering van The GARTH Project reduceert de benodigde aandacht tot eenmaal per week.

Een zevenvoudige afname in onderhoud in vergelijking met het "VEGGIE" systeem.

Zes fabrieken gingen wekelijks van start in The GARTH Project.

Een viervoudige toename van de productie, vergeleken met zes planten die maandelijks werden gestart in het "VEGGIE"-systeem.

Ik beschouw deze veranderingen als Effectief, Inventief en Efficiënt.

Ik hoop dat u dat ook zult doen.

Tweede plaats in de Growing Beyond Earth Maker-wedstrijd