Naukowcy badają, w jaki sposób dynamiczna kontrola środowiska w gospodarstwach zamkniętych może pomóc nam w wykarmieniu rosnącej populacji pożywnymi, wysokiej jakości, lokalnie uprawianymi owocami i warzywami.
Rolnictwo wertykalne może zrewolucjonizować sposób produkcji żywności w środowiskach miejskich i ekstremalnych poprzez optymalizację wzrostu roślin poprzez dynamiczną kontrolę środowiska, w szczególności inteligentne oświetlenie, które dostosowuje się do kosztów energii elektrycznej i potrzeb roślin. Naukowcy podkreślają potencjał tych systemów w zakresie poprawy jakości i zrównoważonego rozwoju żywności przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii.
Innowacyjne podejście do zrównoważonego rolnictwa
W naszym coraz bardziej zatłoczonym świecie zapewnienie każdemu wystarczającej ilości pożywienia wymaga innowacyjnego podejścia. Rolnictwo wertykalne, polegające na intensywnej uprawie roślin w pomieszczeniach zamkniętych, stanowi realną opcję. Główną przeszkodą w jej powszechnym przyjęciu jest zajęcie się wysokimi kosztami i zapotrzebowaniem na energię oświetlenia potrzebnego do wzrostu roślin. Naukowcy odkrywają obecnie, że dostosowanie oświetlenia do wyjątkowych wymagań każdej uprawy może sprzyjać silniejszemu, zdrowszemu wzrostowi, a jednocześnie zmniejszać zużycie energii.
„Największą zaletą systemów rolnictwa wertykalnego jest to, że zdrową żywność można uprawiać znacznie bliżej konsumentów w miejscach, w których inaczej byłoby to niemożliwe: w megamiastach, na pustyniach oraz w miejscach, gdzie przez większą część roku jest zimno i ciemno ”- powiedział dr Elias Kaiser, pierwszy autor artykułu w Granice w nauce. „Największym wyzwaniem są koszty związane ze zużyciem energii elektrycznej.”
Efektywność energetyczna w rolnictwie pionowym
Wiele systemów rolnictwa pionowego działa w stałych warunkach środowiskowych, które wymagają dużej ilości drogiej energii elektrycznej do konserwacji. Analiza naukowców pokazuje, że te wymagające warunki są niepotrzebne: sugerują, że stosując dynamiczną kontrolę środowiska, możemy stworzyć rolnictwo pionowe, które będzie bardziej opłacalne i pozwoli uzyskać zdrowsze rośliny.
„Motywacją dla nas były rytmy, jakie rośliny wykazują w ciągu doby, a także w skali czasu rozwoju, które wymagają regularnego dostosowywania środowiska wzrostu, aby doskonale sterować ich wzrostem” – powiedział profesor Leo Marcelis z Uniwersytetu w Wageningen, starszy autor. „Nakreślamy strategię wykorzystującą wiedzę z zakresu fizjologii roślin, nowatorskie techniki wykrywania i modelowania oraz nowatorskie odmiany hodowane specjalnie na potrzeby systemów rolnictwa pionowego”.
Wykorzystanie technologii do wzrostu roślin
Ponieważ na funkcje biologiczne roślin duży wpływ mają warunki środowiskowe, takie jak zmiany temperatury, długość fali światła i ilość CO₂ w atmosferze, manipulowanie środowiskiem umożliwia pionowemu systemowi uprawy manipulowanie rozwojem roślin. Oświetlenie jest zmienną krytyczną; wszystkie rośliny potrzebują go do fotosyntezy, a różne długości fal światła mają różny wpływ na różne rośliny. Zmienna ta jest również szczególnie wrażliwa na ceny energii elektrycznej, dlatego oferuje możliwości zwiększenia efektywności.
„Wahania cen energii elektrycznej można wykorzystać na korzyść systemów rolnictwa wertykalnego, zużywając więcej energii elektrycznej, gdy jest ona tańsza” – wyjaśnił Marcelis.
Autorzy stworzyli model do testowania inteligentnego oświetlenia, którego celem jest utrzymanie zdolności roślin do fotosyntezy na stałym poziomie w ciągu dnia, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energii elektrycznej. Odkryli, że algorytm optymalizacyjny może obniżyć koszty energii elektrycznej o 12% bez pogarszania wiązania węgla przez rośliny, jedynie poprzez zmianę intensywności światła.
Następnie sprawdzili, czy zmieniające się natężenie światła wpływa na wzrost roślin liściastych, takich jak szpinak, które często uprawia się w gospodarstwach pionowych, i odkryli, że nie ma to żadnego negatywnego wpływu. Pozostało to prawdą nawet wtedy, gdy rośliny poddawane były nieregularnie zmieniającemu się natężeniu światła, a nie przewidywalnemu, regularnemu wzorowi.
Przygotowanie na przyszłość rolnictwa
Zanim rolnictwo wertykalne będzie mogło pomóc wyżywić świat, należy rozwiązać inne krytyczne kwestie.
„Wiele z proponowanych rozwiązań nie zostało przetestowanych na większą skalę, jaką reprezentują gospodarstwa wertykalne – mogły zostać pokazane na poziomie pojedynczej rośliny, ale jeszcze nie na poziomie całego drzewostanu” – przestrzegł Kaiser.
Dynamiczne dostosowywanie natężenia przepływu powietrza, temperatury i CO₂ zgodnie z potrzebami zakładów może potencjalnie oferować możliwości minimalizacji kosztów energii elektrycznej. Rolnicy będą potrzebować odpowiednich czujników i modeli, które pomogą im monitorować i dostosowywać środowisko, a także nowych odmian hodowanych do rolnictwa pionowego. Odmiany te mogłyby wykorzystać potencjał lokalnej produkcji w osłoniętych warunkach, aby skupić się na lepszych właściwościach odżywczych i sensorycznych, a nie na wytrzymałości i okresie przydatności do spożycia. Potrzebne są dalsze badania, aby skalibrować wszystkie te zmienne i znaleźć właściwą równowagę między uprawami wysokiej jakości i wysokowydajnymi.
„W gospodarstwie wertykalnym można dokładnie kontrolować wszystkie warunki wzrostu, co jest bardzo ważne dla optymalizacji plonów, jakości i efektywności wykorzystania zasobów” – powiedział Marcelis. „Jednak techniczna możliwość utrzymania ich na stałym poziomie nie oznacza, że utrzymywanie ich na stałym poziomie jest najlepszym rozwiązaniem. Po ustanowieniu dynamicznej kontroli środowiska można znacznie zmniejszyć zarówno zużycie energii, jak i koszty zużytej energii, zwiększając rentowność i zrównoważony rozwój gospodarstw wertykalnych.
Odniesienie: „Rolnictwo pionowe staje się dynamiczne: optymalizacja efektywności wykorzystania zasobów, jakości produktów i kosztów energii” 24 września 2024 r., Granice w nauce.
DOI: 10.3389/fsci.2024.1411259
