Creix més enciam en menys espai o Creix enciam a l’espai, (més o menys) .: 10 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Es tracta d’un enviament professional al concurs Maker Beyond Earth, Maker, enviat mitjançant Instructables.

No podria estar més emocionat de dissenyar per a la producció de cultius espacials i publicar el meu primer Instructable.

Per començar, el concurs ens va demanar que …

… envieu una instrucció detallant el disseny i la construcció de la cambra de creixement de la planta que (1) s'adapta a un volum de 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) conté totes les característiques necessàries per mantenir el creixement de les plantes, és a dir, la llum artificial, un sistema de reg, i els mitjans de circulació de l’aire, i (3) fa un ús eficaç i inventiu del volum interior per tal d’encaixar i fer créixer amb èxit el màxim nombre de plantes possible”.

Després de llegir els requisits del concurs i les preguntes més freqüents, vaig fer les següents suposicions en el procés de disseny.

Una vegada que la interacció planificada setmanalment amb el "projecte" per un astronauta seria acceptable i no anul·laria l'aspecte de control automàtic en els criteris del concurs.

La font d'alimentació del "projecte" es pot allotjar fora dels 50cm3, ja que l'ISS subministraria energia a la unitat si la unitat estigués a l'espai. El refredament dels LEDs dins del "projecte" pot originar-se fora dels 50cm3, ja que l'ISS pot subministrar refrigeració a la unitat, si la unitat es trobés a l'espai.

"L'usuari" pot tenir accés sense restriccions a la part superior i als 4 costats del volum de 50 cm3 per al manteniment setmanal previst, però no excloure problemes no planificats, en cas que sorgeixi un problema no planificat amb "el projecte".

A continuació, vaig reunir els paràmetres del concurs

Dades del projecte

Aigua: 100 mL / planta / dia (suggerit)

Il·luminació: 300-400? Mol / M2 / s dins de PAR 400-700nm (suggerit)

Cicle de llum: 12/12

Tipus de llum: LED (suggerit)

Circulació d'aire: per 2,35cf / 0,0665m3 (l'àrea de creixement del meu disseny)

Temperatura a ISS: 18,3 a 26,7 ° C (per a referència)

Tipus de planta: enciam romà vermell ‘Outredgeous’

Mida de la planta madura: 15cm d'alçada i 15cm de diàmetre

Sistema de creixement: (elecció del dissenyador)

Subministraments

Necessitarem subministraments

(Aquestes parts s'utilitzen per demostrar el concepte, probablement NO estan aprovades per a viatges espacials)

1 - 0.187 "48" x96 "ABS blanc

3 - Micro controladors

Pantalla LCD 1 - 1602

1 - Escut de registre de dades per a Nano

3 - Resistències fotogràfiques

4 - Sensors AM2302

1 - Sensor de temperatura DS18B20

1 - sensor EC, Nivell de líquid òptic 1 - 15mA 5V

1 - DS3231 per a Pi (RTC)

… i més subministraments

1 - Bomba dosificadora peristàltica

1 - bomba d'aigua de 12V

1 - Zumbadors piezoelèctrics

Resistències de 3 a 220 Ohm

1 - commutador DPST

Esterilitzador UVC 1 - 265-275nm

Taps sanitaris de 24 - 1½”

1 - Etapa de remenat magnètic líquid / aire

1 - Capçal de control de goteig, de 8 línies

1 - Tubs de reg per goteig

1 - Recipient d’aigua de recanvi

1 - ½ canonada de PVC ID

70 - Cargols per fixar LEDs

Filferro de 18 AWG i 22 AWG

1 - Tub retràctil

1 - Alumini per dissipador de calor LED

Interruptors tàctils de 5 a 6 mm d'alçada

Resistències de 4 - 1 Ohm, 1 Watt

1 - Pkg llavors d'enciam "Outredgeous"

…i més

Tauler Boost d'1 a 400W

LEDs blancs de 32 - 3W, (6000-6500k)

1 - 24V / 12V / 5V / 3.3V PSU

Ventiladors d'ordinador de 8 a 40 mm

11 - 5V relés aïllats Opto

10 - 1N4007 díode flyback

24 - Endolls de llana de roca

1 - nutrients hidropònics

1 - Recipient de nutrients

1 - Làmines Mylar

… i eines

Solvent per enganxar

va veure

Serres de forat

Soldador

Soldar

Trepant

Broques

Tornavisos

Ordinador

Cable USB

Programari IDE Arduino

Pas 1: comparació del sistema actual "VEGGIE"

El sistema “VEGGIE” de la llauna ISS fa créixer 6 caps d’enciam en 28 dies (4 setmanes). Si "VEGGIE" funcionés durant 6 mesos, (el temps mitjà que un astronauta es troba a bord de la ISS) cultivaria 36 caps d'enciam amb 6 caps addicionals de dues setmanes. Per a una tripulació de tres persones, són verdures fresques dos cops al mes.

El Projecte GARTH cultivarà 6 caps d’enciam en 28 dies (4 setmanes). PER…. si durés 6 mesos, cultivaria 138 caps d’enciam, amb 18 caps addicionals en diverses etapes de creixement. Per a una tripulació de tres persones, es tracta de verdures fresques 7½ vegades al mes, o gairebé dues vegades a la setmana.

Si això us crida l'atenció … donem una ullada més detallada al disseny

Pas 2: el projecte GARTH

Tecnologia de recursos d'automatització del creixement per a horticultura

(Les fotos del Projecte GARTH són d'una maqueta a escala completa, fabricades amb un tauler central d'escuma Dollar Store)

El Projecte GARTH maximitza la productivitat mitjançant l’ús de 4 àrees de creixement optimitzades separades. També inclou sistemes de control automàtic d’il·luminació, qualitat de l’aire, qualitat de l’aigua i substitució de l’aigua.

Els llums LED de color blanc 6000K de 32 proporcionen els requisits PAR suggerits. Es van incorporar un sistema de circulació d’aire de dos ventiladors i un sistema de ventilació de quatre ventiladors per mantenir l’entorn interior i es va escollir un sistema hidropònic Nutrient Thin Film (NTF) automatitzat i autooptimitzat per alimentar i controlar les plantes. L’aigua de reemplaçament de l’evaporació es manté en un dipòsit separat a la zona d’emmagatzematge superior, prop d’un dipòsit de nutrients líquids constantment remogut, necessari per mantenir el nivell de nutrients al sistema hidropònic sense l’assistència d’un astronauta. Tota l’energia entra, funciona i es distribueix des de la zona d’emmagatzematge superior.

Pas 3: funcions de disseny

Les quatre àrees de creixement

1a etapa (germinació), per a llavors de 0-1 setmana, aproximadament 750 cc d'espai de creixement

2a fase, per a plantes velles de 1-2 setmanes, amb aproximadament 3, 600 cc d'espai de creixement

3a etapa, per a plantes velles de 2-3 setmanes, amb aproximadament 11.000 cc d'espai de creixement

4a etapa, per a plantes velles de 3-4 setmanes, amb aproximadament 45.000 cc d'espai de creixement

(Les zones de 1a i 2a etapa es combinen en una safata extraïble per facilitar la plantació, el manteniment i la neteja)

Pas 4: sistema d'il·luminació

La il·luminació era dura sense accedir a un mesurador PAR. Afortunadament, el concurs va comptar amb Mr. Dewitt al Fairchild Tropical Botanic Garden, per fer preguntes. Em va dirigir a gràfics que eren molt útils i també em van portar a led.linear1. Amb els gràfics i el lloc web, vaig poder calcular les meves necessitats d’il·luminació i circuits.

El meu disseny utilitza 26,4 V de tensió de font per executar 4 matrius de LED de 8, 3 watts en sèrie amb resistències d’1 ohm i 1 watt. Faré servir un subministrador de 24 V i un convertidor Boost per elevar el corrent constant a 26,4 V. (A bord de la ISS, el meu disseny faria servir el 27V disponible i un convertidor Buck per reduir la tensió i proporcionar el corrent constant de 26,4V)

Aquesta és la llista de peces per al sistema d’il·luminació.

32, blanc 6000-6500k, 600mA, LED de 3V – 3,4V, 3W de LED

Resistències de 4, 1 ohm - 1W

1, convertidor 12A 400W Boost

1, ventilador de 40 mm

1, termistor

1, DS3231 per a Pi (RTC) o datalogger

Filferro de 18 AWG

… i així és com tinc previst utilitzar aquests LED de trenta-dos de 3W.

Un LED a la fase 1, quatre a la fase 2 i nou a la fase 3. Els darrers divuit LED il·luminaran la fase 4 i ens portaran a un total enorme de 96 watts de llum a aproximadament 2,4 amperes.

Pas 5: sistema de circulació i ventilació d’aire

(Recordeu que la fontaneria i el cablejat elèctric no estan complets. Són fotos d'una maqueta del sistema proposat)

La circulació s’aconsegueix amb dos ventiladors de 40 mm. Un ventilador empès que bufa a la quarta etapa des del conducte situat a la part posterior posterior esquerra. L’aire fluirà a través de la 4a etapa i cap a la part frontal de la 3a etapa, després a través de la 3a etapa i sortirà per la part posterior (cap amunt i al voltant de la 1a etapa, mitjançant un conducte curt) cap a la part posterior de la 2a etapa. Un ventilador de tracció al conducte situat a sobre de la 2a etapa traurà l’aire a través de la 2a etapa i sortirà per la cantonada superior dreta. Completar el viatge a través del sistema de circulació d’aire.

La ventilació de la 4a etapa serà directament per la paret posterior superior. La tercera etapa també sortirà per la paret posterior superior. La 2a etapa s’aventurarà directament per la part superior i la fase de germinació (1a etapa) sortirà per la paret posterior, de manera similar a les 3es i 4es fases.

Pas 6: sistema hidropònic NFT

(La sonda EC, la sonda de temperatura, el sensor de nivell de líquid, les mànegues per substituir l'evaporació del dipòsit d'aigua dolça i les mànegues que connecten la bomba de dipòsit als canals, es trobaran aquí al dipòsit, però no es mostren en aquesta foto)

El sistema inclou un dipòsit de 9.000 + ml / cc, un dipòsit d’aigua dolça de 7.000 + ml // cc per a la substitució de l’evaporació, una bomba d’aigua de 12V 800L / hora, un esterilitzador UV-C per matar qualsevol alga que hi hagi Col·lector de cabal ajustable de 8 ports, una torre d’aireig amb ventilador de flux oposat per airejar l’aigua que baixa de la fase 2 i l’agulla d’escapament de la fase d’agitació, un sensor de nivell de líquid, un sensor EC, un sensor de temperatura de l’aigua, una bomba peristàltica dosificadora des del dipòsit de nutrients, una etapa d'agitació que manté els nutrients en solució al dipòsit i a cinc abeuradors o canals de creixement. Els cinc canals de creixement, l’etapa d’agitació i la torre d’aireig reben aigua des del col·lector de flux ajustable de 8 ports. Quan cal donar servei al sistema hidropònic, un interruptor de tall de doble pol (DPST) situat al panell frontal tancarà l’energia a la bomba d’aigua, esterilitzador UV-C i dosificador de nutrients de la bomba peristàltica. Això permetrà a "l'usuari" treballar amb seguretat el sistema hidropònic sense posar en perill a si mateixos ni el cultiu.

Pas 7: sistema automàtic de lliurament de nutrients

Estic fent servir el "Dosificador de nutrients Arduino automatitzat optimitzant" desenvolupat per Michael Ratcliffe per a aquest projecte. He adaptat el seu esbós al meu sistema i maquinari i estic utilitzant el "Three Dollar EC - PPM Meter" de Michael com a sensor EC.

Podeu trobar informació o instruccions per a aquests dos projectes a: element14, hackaday o michaelratcliffe

Pas 8: l'electrònica dels sistemes d'automatització

El sistema d’il·luminació utilitzarà un micro controlador Arduino, un DS3231 per a Pi (RTC), un mòdul de 4 relés, quatre resistències d’1 ohm - 1 watt, trenta-dos LED blancs de 3W, un convertidor Boost de 400W, tres resistències fotogràfiques, un ordinador de 40 mm. ventilador i un termistor. El microcontrolador utilitzarà el RTC per cronometrar els llums en un cicle de 12 hores enceses i 12 hores apagades. Monitoritzarà els nivells de llum a la 2a, 3a i 4a etapa amb resistències fotogràfiques i alertarà amb una alarma LED / piezo, si detecta un nivell de llum baix en qualsevol etapa, durant un cicle de llum encès. La temperatura de la placa de control LED es controlarà mitjançant un termistor connectat en línia al ventilador de 40 mm i començarà a refredar-se automàticament quan es detecti prou calor.

El sistema de lliurament de nutrients va ser desenvolupat per Michael Ratcliffe. El sistema utilitza un Arduino Mega, una de les idees de la sonda EC de Michael, una pantalla de pantalla del teclat LCD 1602, un sensor de temperatura de l'aigua DS18B20, una bomba de dosificació peristàltica de 12V i un relé opto aïllat de 5V. He afegit un sensor de nivell de líquid òptic. El sistema controlarà la temperatura de l’aigua i de l’EC i activarà la bomba peristàltica per dosificar nutrients segons sigui necessari. El microcontrolador supervisarà el nivell de l’aigua al dipòsit i alertarà amb una alarma LED / piezoelèctrica si la temperatura de l’aigua del dipòsit és superior al rang establert per l’usuari, si les dades del sensor EC superen el rang establert per l’usuari durant més temps que el configurat per l’usuari. període de temps o si el nivell d’aigua del dipòsit baixa per sota del nivell establert per l’usuari.

El sistema de circulació d’aire constarà d’un microcontrolador Arduino, quatre sensors AM2302, sis ventiladors d’ordinador de 40 mm (dos ventiladors de circulació d’aire per a la 2a, 3a i 4a fase i 4 ventiladors), un esterilitzador UV-C i sis relés opto aïllats de 5V (per als fans). El controlador supervisarà la temperatura i la humitat de l’aire a les 4 etapes i iniciarà automàticament el sistema de circulació de dos ventiladors o els ventiladors de ventilació de l’escenari individuals segons sigui necessari per mantenir la temperatura i la humitat dins dels rangs establerts per l’usuari. El controlador també configurarà i controlarà el temps de l'esterilitzador UV-C i mantindrà una alarma LED / piezo en cas que la temperatura o la humitat superin els nivells establerts per l'usuari en qualsevol de les 4 etapes.

Pas 9: la construcció

La caixa de 50 cm3, els canals, el dipòsit de substitució de l’evaporació d’aigua dolça, la torre d’aireig, el conducte central de circulació d’aire, el calaix de la 1a i la 2a fase, les mènsules del sostre (no es mostren) i la majoria d’altres estructures de suport, es construiran a partir de 0,187” ABS negre. Les cortines davanteres dels escenaris es mostren a la pel·lícula Mylar a la maqueta, però probablement estarien fetes d’acrílic recobert reflectant o policarbonat al prototip real. La il·luminació (que no es mostra, però que consta de 4 matrius de 8, 3W LED en sèrie) es muntarà sobre xapes d’alumini d’aproximadament 0,125 polzades amb tub de coure de 0,125 polzades soldat a la part superior per refredar líquid (que la refrigeració entraria i sortiria per la part posterior). de la unitat per separar el refrigerador no relacionat amb el concurs). La fontaneria d’aigua NTF a les etapes 1 i 2 (no es mostra a cap de les fotos però) s’adjuntaria mitjançant una connexió ràpida a la part frontal de la segona etapa.

El convertidor d’augment (que es mostra a la foto de la zona d’emmagatzematge superior) es pot reubicar sota la safata de germinació (etapa 1) per proporcionar calor addicional per a la germinació. L’AM2302, els sensors de temperatura i humitat (no es mostren), se situaran a la part alta de cada etapa (fora del camí de circulació d’aire planificat regularment)

Pot semblar que el disseny no pensa en l’espai,

però no és així. El meu sistema NTF descrit aquí no està optimitzat ni modificat per a l’espai, però els sistemes hidrofònics NTF són seriosos candidats a les necessitats úniques dels cultius espacials en microgravetat i tinc idees per a la seva optimització de l’espai.

El concurs ens va demanar que dissenyéssim un sistema que fes créixer més plantes en un espai definit i automatitzés el disseny tant com fos possible.

Els dissenys seleccionats per a la fase 2 hauran de fer créixer les plantes a la terra primer. Crec que el meu disseny compleix tots els requisits del concurs i ho fa respectant l’espai real necessari per al creixement de les plantes, la circulació de l’aire, els controls ambientals automatitzats i un consum de setmanes per a les plantes. Tot dins de l’espai de 50 cm3 que ens van donar.

Pas 10: per acabar-ho

L’automatització del projecte GARTH redueix l’atenció necessària un cop per setmana.

Una disminució de set vegades en el manteniment, en comparació amb el sistema "VEGGIE".

Sis plantes van començar setmanalment a The GARTH Project.

Un augment de la producció de quatre vegades, en comparació amb sis plantes que es van iniciar mensualment en el sistema “VEGGIE”.

Considero que aquests canvis són efectius, inventius i eficients.

Espero que tu també ho facis.

Accèssit al concurs Growing Beyond Earth Maker