Odla mer sallad på mindre utrymme eller växa sallad i rymden, (mer eller mindre) .: 10 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Detta är en professionell underkastelse till Growing Beyond Earth, Maker Contest, som skickas in via Instructables.

Jag kunde inte vara mer upphetsad över att planlägga för produktion av rymdgrödor och lägga ut min första Instructable.

För att börja bad tävlingen oss att.

“… lämna in en instruerbar som beskriver designen och konstruktionen av din växtväxtkammare som (1) ryms inom en 50 cm x 50 cm x 50 cm volym, (2) innehåller alla funktioner som är nödvändiga för att upprätthålla växttillväxt, dvs artificiellt ljus, ett bevattningssystem, och medel för att cirkulera luft, och (3) utnyttjar den inre volymen effektivt och uppfinningsrikt för att passa och lyckas odla så många växter som möjligt.”

Efter att ha läst tävlingskraven och vanliga frågor gjorde jag följande antaganden i designprocessen.

En gång i veckan planerad interaktion med "projektet" av en astronaut skulle vara acceptabel och inte upphäva den automatiska kontrollaspekten i tävlingskriterierna.

Strömförsörjningen för "projektet" kan rymmas utanför 50cm3, eftersom ISS skulle leverera ström till enheten om enheten var i rymden. Kylning för lysdioderna inuti”projektet” kan ha sitt ursprung utanför 50 cm3, eftersom ISS kan leverera kylning till enheten om enheten var i rymden.

"Användare" kan ha obegränsad åtkomst till toppen och fyra sidor av 50 cm3 volymen för det planerade veckovisa underhållet, men inte utesluta oplanerade problem om ett oplanerat problem uppstår med "projektet".

Därefter samlade jag parametrarna för tävlingen

Projektdata

Vatten: 100 ml/växt/dag (föreslås)

Belysning: 300-400? Mol/M2/s inom PAR 400-700nm (föreslås)

Ljuscykel: 12/12

Ljusslag: LED (föreslås)

Luftcirkulation: för 2,35cf/0,0665m3 (min designs tillväxtområde)

Temperatur på ISS: 65 till 80˚F / 18,3 till 26,7 ° C (för referens)

Typ av växt: 'Outredgeous' Red Romaine sallad

Mogen växtstorlek: 15 cm hög och 15 cm i diameter

Växtsystem: (Designerns val)

Tillbehör

Vi kommer att behöva förnödenheter

(Dessa delar används för bevis på konceptet, de är förmodligen INTE rymdresor godkända)

1 - 0,187”48” x96”vit ABS

3 - Mikrokontroller

1 - 1602 LCD -skärm

1 - Datalogger -sköld för Nano

3 - Fotomotstånd

4 - AM2302 sensorer

1 - DS18B20 temperaturgivare

1 - EG -sensor, 1 - 15mA 5V optisk vätskenivå

1 - DS3231 för Pi (RTC)

… och mer tillbehör

1 - Peristaltisk doseringspump

1 - 12V vattenpump

1 - Piezo -summer

3 - 220 Ohm motstånd

1 - DPST -omkopplare

1-265-275nm UVC-sterilisator

24 - 1½”sanitetslock

1 - Magnetisk omrörning av vätska/luft

1 - Droppkontrollhuvud, 8 rader

1 - Droppbevattningsslang

1 - Byte av vattenbehållare

1 - ½ ID PVC -rör

70 - Skruvar för montering av lysdioder

18 AWG & 22 AWG Wire

1 - Krympslang

1 - Aluminium för LED -kylfläns

5 - 6 mm höga taktila omkopplare

4 - 1 Ohm, 1 Watt motstånd

1 - Pkg frön "Outredgeous" sallad

…och mer

1 - 400W Boost -bräda

32-3W vita lysdioder, (6000-6500k)

1 - 24V / 12V / 5V / 3.3V nätaggregat

8 - 40 mm datorfläktar

11 - 5V Opto isolerade reläer

10 - 1N4007 flyback -diod

24 - Rockwool -pluggar

1 - Hydroponiska näringsämnen

1 - Näringsbehållare

1 - Mylarplåt

… och verktyg

Lösningsmedel för limning

Fick syn på

Hålsågar

Lödkolv

Löda

Borra

Borrbitar

Skruvmejslar

Dator

USB-kabel

Arduino IDE -programvara

Steg 1: Jämför det nuvarande “VEGGIE” -systemet

“VEGGIE” -systemet på ISS kan växa 6 salladshuvuden på 28 dagar (4 veckor). Om "VEGGIE" sprang i 6 månader, (den genomsnittliga tiden en astronaut är ombord på ISS) skulle det växa 36 salladshuvuden med ytterligare 6 huvuden som var två veckor gamla. För en besättning på 3, det är färska grönsaker två gånger i månaden.

GARTH -projektet kommer att odla 6 salladshuvuden på 28 dagar (4 veckor). MEN.. om det körde i 6 månader, skulle det växa 138 huvuden av sallad, med ytterligare 18 huvuden i olika tillväxtstadier. För en besättning på 3 är det färska grönsaker 7½ gånger i månaden, eller nästan två gånger i veckan.

Om det fångar din uppmärksamhet … låt oss titta närmare på designen

Steg 2: GARTH -projektet

Tillväxtautomation Resursteknik för trädgårdsodling

(Bilder från GARTH-projektet är i full skala, gjorda av Dollar Store-skumkärna)

GARTH -projektet maximerar produktiviteten genom att använda fyra separata optimerade tillväxtområden. Den innehåller också automatiska styrsystem för belysning, luftkvalitet, vattenkvalitet och vattenbyte.

32, vita 6000K LED -lampor ger de föreslagna PAR -kraven. Ett luftcirkulationssystem med två fläktar och ett ventilationssystem med fyra fläktar införlivades för att upprätthålla den inre miljön, och ett automatiserat, självoptimerande Nutrient Thin Film (NTF) hydroponiskt system valdes för att mata och övervaka växterna. Avdunstningsvatten hålls i en separat behållare i det övre lagringsområdet nära en ständigt omrörd flytande näringsreservoar, som behövs för att behålla näringsnivån i det hydroponiska systemet utan hjälp från en astronaut. All ström kommer in, fungerar och distribueras från det övre lagringsområdet.

Steg 3: Designfunktioner

De fyra tillväxtområdena

Första etappen (groning), för 0-1 veckor gamla frön, ca 750 cm3 tillväxtutrymme

Andra etappen, för 1-2 veckor gamla växter, ca 3, 600 cc tillväxtutrymme

Tredje etappen, för 2-3 veckor gamla växter, cirka 11 000 cc tillväxtutrymme

Fjärde etappen, för 3-4 veckor gamla växter, cirka 45 000 cc tillväxtutrymme

(Områdena 1: a och 2: a etappen kombineras på ett avtagbart fack för att underlätta plantering, service och rengöring)

Steg 4: Belysningssystem

Belysningen var tuff utan tillgång till en PAR -mätare, lyckligtvis hade tävlingen Mr. Dewitt på Fairchild Tropical Botanic Garden att gå till med frågor. Han ledde mig till diagram som var till stor hjälp och dessa diagram ledde mig också till led.linear1. Med diagrammen och webbplatsen kunde jag beräkna mina belysnings- och kretsbehov.

Min design använder 26,4V källspänning för att köra 4 matriser med 8, 3 watts lysdioder i serie med 1 ohm, 1 watt motstånd. Jag kommer att använda en 24V -matning och en Boost -omvandlare för att höja den konstanta strömmen till 26,4V. (Ombord på ISS skulle min design använda den 27V som finns tillgänglig och en Buck -omvandlare för att sänka spänningen och ge en konstant ström på 26,4V)

Detta är listan med delar till belysningssystemet.

32, vit 6000-6500k, 600mA, DC 3V – 3.4V, 3W lysdioder

4, 1 ohm - 1W motstånd

1, 12A 400W Boost -omvandlare

1, 40 mm fläkt

1, termistor

1, DS3231 för Pi (RTC) eller datalogger

18 AWG -tråd

… och så här tänker jag använda de trettiotvå, 3W lysdioderna.

En lysdiod i steg 1, fyra i steg 2 och nio i steg 3. De senaste arton lysdioderna tänder steg 4 och tar oss till en helhet på 96 watt ljus med cirka 2,4 ampere.

Steg 5: Luftcirkulations- och ventilationssystem

(Kom ihåg att VVS och elektriska ledningar inte är klara. Detta är bilder på en mock-up av det föreslagna systemet)

Cirkulation uppnås med två 40 mm fläktar. En tryckfläkt som blåser in i fjärde etappen från kanalen längst upp till vänster bak. Luften kommer att flöda över den fjärde etappen och in i den tredje etappens framsida, sedan genom den tredje etappen och ut bakifrån (upp och runt den första etappen, via en kort kanal) in i den andra etappens baksida. En dragfläkt i kanalen ovanför den andra etappen, kommer att dra luften genom den andra etappen och ut i det högra främre övre hörnet. Slutför resan genom luftcirkulationssystemet.

Den fjärde etappen ventilerar kommer direkt ut den övre bakre väggen. Den tredje etappen kommer också att ventilera genom den övre bakre väggen. Det andra steget ventileras rakt genom toppen och groddningssteget (steg 1) ventilerar ut den bakre väggen, liknande steg 3 och 4.

Steg 6: NFT Hydroponic System

(EC -sonden, temperatursonden, vätskenivåsensorn, slangar för avdunstningsbyte från sötvattensbehållare och slangar som ansluter sumpumpen till kanalerna, alla kommer att placeras här i sumpen men visades inte på detta foto)

Systemet innehåller en 9 000+ml/cc sump, en 7 000+ml // cc sötvattensbehållare för avdunstningsersättning, en 12V 800L/timme vattenpump, en UV-C-sterilisator för att döda alger i vattnet som kommer in i 8 -ports justerbart flödesmanifold, ett luftningstorn med motsatt flödesfläkt för att lufta det nedströmmande vattnet från steg 2 och avloppsvatten i omrörningssteg, en vätskenivåsensor, en EC -sensor, en vattentemperatursensor, en peristaltisk pump som doserar från näringsbehållaren, ett omrörningssteg som håller näringsämnena i lösning i behållaren och fem tillväxtränor eller kanaler. De fem tillväxtkanalerna, omrörningssteget, luftningstornet tar emot vatten från det 8 -portars justerbara flödesröret. När det hydroponiska systemet behöver servas stängs en dubbelpolig avstängningsbrytare (DPST) på frontpanelen av bort till vattenpumpen, UV-C-sterilisator och peristaltisk pump näringsdosering. Detta gör att "Användaren" säkert kan arbeta med det hydroponiska systemet utan att äventyra sig själv eller grödan.

Steg 7: Automatiskt näringsleveranssystem

Jag använder”Self Optimizing Automated Arduino Nutrient Doser” som utvecklats av Michael Ratcliffe för detta projekt. Jag har anpassat hans skiss till mitt system och hårdvara och använder Michaels”Three Dollar EC - PPM Meter” som min EC -sensor.

Information eller instruktion för båda dessa projekt finns på: element14, hackaday eller michaelratcliffe

Steg 8: Elektroniken i automationssystemen

Belysningssystemet kommer att använda en Arduino mikrokontroller, en DS3231 för Pi (RTC), en 4 relämodul, fyra 1 ohm-1 watt motstånd, trettiotvå 3W vita lysdioder, en 400W Boost-omvandlare, tre fotomotstånd, en 40mm dator fläkt och en termistor. Mikrostyrenheten kommer att använda RTC för att timma lamporna i en 12 timmars på, 12 timmars avstängningscykel. Den kommer att övervaka ljusnivåerna i 2: a, 3: e och 4: e etappen med fotomotstånd och varna med ett LED/piezo -larm, om det upptäcker en låg ljusnivå i något skede, under lampor på cykel. Temperaturen på LED -drivrutinen övervakas av en termistor ansluten i linje med 40 mm fläkten och börjar automatiskt kylas när tillräckligt med värme detekteras.

Nutrient Delivery -systemet utvecklades av Michael Ratcliffe. Systemet använder en Arduino Mega, en av Michaels EC -sondidéer, en 1602 LCD -knappsatsskärm, en DS18B20 vattentemperaturgivare, en 12V peristaltisk doseringspump och ett 5V opto isolerat relä. Jag lade till en optisk vätskenivåsensor. Systemet kommer att övervaka EC- och vattentemperaturen och aktivera den peristaltiska pumpen för att dosera näringsämnen efter behov. Mikrostyrenheten övervakar vattennivån i sumpen och varnar med ett LED/piezo -larm om vattentemperaturen i sumpen ligger utanför användarens inställda område, om EC -sensordata ligger utanför användarinställningsområdet längre än användarinställningen tid eller om vattennivån i sumpen sjunker under användarens inställda nivå.

Luftcirkulationssystemet kommer att bestå av en Arduino-mikrokontroller, fyra AM2302-sensorer, sex 40 mm datorfläktar (två luftcirkulationsfläktar för andra, tredje och fjärde etappen och fyra ventilationsfläktar), en UV-C-sterilisator och sex 5V optoisolerade reläer (till fansen). Regulatorn övervakar lufttemperaturen och luftfuktigheten i alla fyra steg och startar automatiskt de två fläktcirkulationssystemen eller de enskilda stegets ventilationsfläktar efter behov för att hålla temperaturen och luftfuktigheten inom användarens inställda intervall. Styrenheten kommer också att ställa in och styra UV-C-sterilisatorns timing och bibehålla ett LED/piezo-larm om temperaturen eller luftfuktigheten överskrider användarens inställda nivåer i något av de fyra stegen.

Steg 9: Bygget

50 cm3 -höljet, kanalerna, ersättningsbehållaren för sötvattenindunstning, luftningstornet, den centrala luftcirkulationskanalen, lådan i första och andra etappen, takstagen (ej visad) och de flesta andra stödkonstruktioner kommer att byggas från 0,187” Svart ABS. De främre gardinerna för scenerna visas i Mylar -film på mock up, men skulle troligen vara gjorda av reflekterande belagd akryl eller polykarbonat på själva prototypen. Belysningen (visas inte men består av 4 matriser med 8, 3W lysdioder i serie) kommer att monteras på cirka 0,125”aluminiumplåt med 0,125” kopparslang lödad på ovansidan för vätskekylning, (den kylningen kommer in och ut från baksidan av enheten för att separera icke-tävlingsrelaterad kylare). VVS av NTF-vatten till steg 1 & 2 (visas inte på några av bilderna men) skulle anslutas via en snabbanslutning på framsidan av den andra etappen.

Boostomvandlaren (som visas på bilden på det övre lagringsområdet) kan flyttas under groddbrickan (steg 1) för att ge ytterligare värme för groning. AM2302, temperatur- och luftfuktighetssensorer (visas inte), kommer att placeras högt i varje steg (från den regelbundet planerade luftcirkulationsvägen)

Designen verkar inte alls tänka på rymden,

men så är inte fallet. Mitt NTF -system som beskrivs här är inte optimerat eller modifierat för utrymme, men NTF -hydroponiska system är seriösa utmanare för rymdgrödornas unika behov i mikrogravitation och jag har idéer för dess rymdoptimering.

Tävlingen bad oss att designa ett system som odlade fler växter i ett definierat utrymme och automatisera designen så mycket som möjligt.

De mönster som valts ut för fas 2 måste först växa växter på jorden först. Jag tror att min design uppfyller alla krav i tävlingen och gör det samtidigt som jag respekterar det verkliga utrymmet som behövs för växttillväxt, luftcirkulation, automatiserade miljökontroller och ett veckors värde av förbrukningsmaterial för växterna. Allt inom det 50 cm3 stora utrymmet vi fick.

Steg 10: Att packa upp det

Automatiseringen av The GARTH Project reducerar nödvändig uppmärksamhet till en gång i veckan.

En sjufaldig minskning av underhållet jämfört med "VEGGIE" -systemet.

Sex anläggningar startade varje vecka i The GARTH Project.

En fyrfaldig produktionsökning jämfört med sex fabriker som startades varje månad i”VEGGIE” -systemet.

Jag anser att dessa förändringar är effektiva, uppfinningsrika och effektiva.

Jag hoppas att du också.

Tvåa i tävlingen Growing Beyond Earth Maker