Voksende mer salat på mindre plass eller voksende salat i verdensrommet, (mer eller mindre) .: 10 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Dette er en profesjonell innsending til Growing Beyond Earth, Maker Contest, sendt gjennom Instructables.

Jeg kunne ikke vært mer begeistret for å være å designe for produksjon av romfrukter og legge ut min første Instructable.

For å starte, ba konkurransen oss om å

"… send en instruks som beskriver design og konstruksjon av plantevekstkammeret som (1) passer innenfor et volum på 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) inneholder alle funksjonene som er nødvendige for å opprettholde plantevekst, dvs. kunstig lys, et vanningssystem, og midler til å sirkulere luft, og (3) bruker effektiv og oppfinnsom bruk av det indre volumet for å få plass til og vokse så mange planter som mulig."

Etter å ha lest konkurransekravene og vanlige spørsmål, gjorde jeg følgende forutsetninger i designprosessen.

En gang ukentlig planlagt interaksjon med "prosjektet" av en astronaut ville være akseptabelt og ikke ugyldiggjøre det automatiske kontrollaspektet i konkurransekriteriene.

PSU for "prosjektet" kan ligge utenfor 50 cm3, ettersom ISS ville levere strøm til enheten hvis enheten var i verdensrommet. Kjøling for LED -lampene inne i "prosjektet" kan stamme utenfor 50 cm3, ettersom ISS kan levere kjøling til enheten hvis enheten var i rommet.

“Bruker” kan ha ubegrenset tilgang til toppen og 4 sider av 50 cm3 volumet for det planlagte ukentlige vedlikeholdet, men ikke utelukke uplanlagte problemer hvis det skulle oppstå et uplanlagt problem med “prosjektet”.

Deretter samlet jeg parametrene for konkurransen

Prosjektdata

Vann: 100 ml/plante/dag (foreslått)

Belysning: 300-400 µmol/M2/s innenfor PAR 400-700nm (foreslått)

Lyssyklus: 12/12

Lystype: LED (foreslått)

Luftsirkulasjon: for 2,35cf/0,0665m3 (designens vekstområde)

Temperatur på ISS: 65 til 80˚F / 18,3 til 26,7 ° C (for referanse)

Anleggstype: 'Outredgeous' rød Romaine salat

Eldre plantestørrelse: 15 cm høy og 15 cm i diameter

Grow system: (Designer valg)

Rekvisita

Vi kommer til å trenge forsyninger

(Disse delene brukes til bevis på konseptet, de er sannsynligvis IKKE romfart godkjente)

1 - 0,187”48” x96”hvit ABS

3 - Mikrokontrollere

1 - 1602 LCD -skjerm

1 - Datalogger -skjold for Nano

3 - Foto motstander

4 - AM2302 sensorer

1 - DS18B20 temperatursensor

1 - EC -sensor, 1 - 15mA 5V optisk væskenivå

1 - DS3231 for Pi (RTC)

… og flere forsyninger

1 - Peristaltisk doseringspumpe

1 - 12V vannpumpe

1 - Piezo -summer

3 - 220 Ohm motstandere

1 - DPST -bryter

1-265-275nm UVC-sterilisator

24 - 1½”sanitærhetter

1 - Magnetisk omrøring av væske/luft

1 - Dryppkontrollhode, 8 linjer

1 - Dryppvanningsrør

1 - Utskifting av vannbeholder

1 - ½ ID PVC -rør

70 - Skruer for montering av lysdioder

18 AWG og 22 AWG Wire

1 - Krympeslange

1 - Aluminium for LED kjøleribbe

5 - 6 mm høye taktile brytere

4 - 1 Ohm, 1 Watt motstander

1 - Pkg frø “Outredgeous” salat

…og mer

1 - 400W Boost -brett

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

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

8 - 40 mm datamaskinvifter

11 - 5V Opto isolerte reléer

10 - 1N4007 flyback -diode

24 - Rockwool -plugger

1 - Hydroponiske næringsstoffer

1 - Næringsbeholder

1 - Mylar -ark

… og verktøy

Løsemiddel for liming

Sag

Hullsager

Loddejern

Lodding

Bore

Bor

Skrutrekkere

Datamaskin

USB-kabel

Arduino IDE programvare

Trinn 1: Sammenligning av det nåværende “VEGGIE” -systemet

“VEGGIE” -systemet på ISS kan vokse 6 salathoder på 28 dager (4 uker). Hvis “VEGGIE” løp i 6 måneder, (gjennomsnittlig tid en astronaut er ombord på ISS) ville den vokse 36 salathoder med ytterligere 6 hoder som var to uker gamle. For et mannskap på 3 er det ferske grønnsaker to ganger i måneden.

GARTH -prosjektet vil vokse 6 salathoder på 28 dager (4 uker). MEN.. hvis den gikk i 6 måneder, ville den vokse 138 salathoder, med ytterligere 18 hoder i forskjellige vekststadier. For et mannskap på 3 er det ferske grønnsaker 7½ ganger i måneden, eller nesten to ganger i uken.

Hvis det fanger din oppmerksomhet … la oss se nærmere på designet

Trinn 2: GARTH -prosjektet

Growth Automation Resource Technology for Horticulture

(Bilder av GARTH-prosjektet er i full skala, laget av Dollar Store skumkjernekort)

GARTH -prosjektet maksimerer produktiviteten ved bruk av 4 separate optimaliserte vekstområder. Det inkluderer også automatiske kontrollsystemer for belysning, luftkvalitet, vannkvalitet og vannbytte.

32, hvite 6000K LED -lys gir de foreslåtte PAR -kravene. Et luftsirkulasjonssystem med to vifter og et ventilasjonssystem med fire vifter ble innarbeidet for å opprettholde det indre miljøet, og et automatisert, selvoptimaliserende Nutrient Thin Film (NTF) hydroponisk system ble valgt for å mate og overvåke plantene. Fordampningsbyttevann holdes i et eget reservoar i det øvre lagringsområdet nær et konstant omrørt flytende næringsreservoar, nødvendig for å opprettholde næringsnivået i det hydroponiske systemet uten hjelp fra en astronaut. All strøm kommer inn, opererer og distribueres fra det øvre lagringsområdet.

Trinn 3: Designfunksjoner

De fire vekstområdene

Første trinn (spiring), for 0-1 uker gamle frø, ca 750 cm3 vekstplass

2. trinn, for 1-2 uker gamle planter, ca 3, 600 cc vekstplass

Tredje trinn, for 2-3 uker gamle planter, ca 11.000 cc vekstplass

4. trinn, for 3-4 uker gamle planter, ca 45 000 cm3 vekstplass

(1. og 2. trinnsområder kombineres på et flyttbart brett for å lette planting, service og rengjøring)

Trinn 4: Belysningssystem

Belysningen var tøff uten tilgang til en PAR -måler, heldigvis hadde konkurransen Mr. Dewitt ved Fairchild Tropical Botanic Garden å stille spørsmål med. Han ledet meg til diagrammer som var veldig hjelpsomme, og disse diagrammene førte meg også til led.linear1. Med diagrammene og nettstedet klarte jeg å beregne belysnings- og kretsbehovet mitt.

Designet mitt bruker 26,4 V kildespenning for å kjøre 4 matriser med 8, 3 watt lysdioder i serie med 1 ohm, 1 watt motstander. Jeg vil bruke en 24V forsyning og en Boost -omformer for å heve konstant strøm til 26,4V. (Ombord på ISS ville designet mitt bruke 27V som er tilgjengelig og en Buck -omformer for å senke spenningen og gi konstant strøm på 26,4V)

Dette er delelisten til belysningssystemet.

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

4, 1 ohm - 1W motstander

1, 12A 400W Boost -omformer

1, 40 mm vifte

1, termistor

1, DS3231 for Pi (RTC) eller datalogger

18 AWG ledning

… og slik har jeg tenkt å bruke de trettito, 3W lysdiodene.

En lysdiode i trinn 1, fire i trinn 2 og ni i trinn 3. De siste atten lysdiodene lyser trinn 4 og bringer oss til hele 96 watt lys med omtrent 2,4 ampere.

Trinn 5: Luftsirkulasjons- og ventilasjonssystem

(Husk at rørleggerarbeid og elektriske ledninger ikke er fullført. Dette er bilder av en modell av det foreslåtte systemet)

Sirkulasjon oppnås med to 40 mm vifter. En skyvevifte som blåser inn i fjerde trinn fra kanalen øverst til venstre bak. Luften vil strømme over den fjerde etappen og inn i fronten av den tredje etappen, deretter gjennom den tredje etappen og ut bakfra (opp og rundt den første etappen, via en kort kanal) inn på baksiden av den andre etappen. En trekkvifte i kanalen over andre etappe, vil trekke luften gjennom den andre etappen og ut i det øverste høyre hjørnet foran. Fullfører reisen gjennom luftsirkulasjonssystemet.

Den fjerde trinns ventilasjon vil være direkte ut av den øvre bakveggen. Den tredje etappen vil også lufte gjennom den øvre bakveggen. Det andre trinnet ventileres rett gjennom toppen og spiringstrinnet (trinn 1) vil lufte ut bakveggen, på samme måte som trinn 3 og 4.

Trinn 6: NFT Hydroponic System

(EC -sonden, temperatursonden, væskenivåsensoren, slanger for fordampningsbytte fra ferskvannsreservoaret og slanger som forbinder sumppumpen med kanalene, alt vil være plassert her i sumpen, men ble ikke vist på dette bildet)

Systemet inkluderer en 9.000+ml/cc sump, et 7.000+ml // cc ferskvannsreservoar for fordampningsbytte, en 12V 800L/time vannpumpe, en UV-C sterilisator for å drepe alger i vannet som kommer inn i vannet 8 port justerbar strømningsmanifold, et beluftningstårn med motstående strømningsvifte for å lufte det nedstrømmende vannet fra trinn 2 og avløpsvannet under omrøring, en væskenivåsensor, en EC -sensor, en vanntemperaturføler, en peristaltisk pumpedosering fra næringsreservoaret, et omrøringstrinn som holder næringsstoffene i oppløsning i reservoaret og fem vekstbakker eller kanaler. De fem vekstkanalene, omrøringstrinnet, luftningstårnet mottar vann fra den 8 -ports justerbare strømningsmanifolden. Når det hydroponiske systemet må betjenes, vil en dobbeltpolet enkeltkast (DPST) -bryter på frontpanelet stenge strømmen av til vannpumpen, UV-C sterilisator og peristaltisk pumpe næringsdosering. Dette vil tillate "brukeren" å trygt arbeide med det hydroponiske systemet uten å sette seg selv eller avlingen i fare.

Trinn 7: Automatisk næringsleveringssystem

Jeg bruker “Self Optimizing Automated Arduino Nutrient Doser” utviklet av Michael Ratcliffe for dette prosjektet. Jeg har tilpasset skissen til systemet og maskinvaren min, og jeg bruker Michaels “Three Dollar EC - PPM Meter” som min EC -sensor.

Informasjon eller instruksjoner for begge disse prosjektene finner du på: element14, hackaday eller michaelratcliffe

Trinn 8: Elektronikken til automatiseringssystemene

Belysningssystemet vil bruke en Arduino mikrokontroller, en DS3231 for Pi (RTC), en 4 relemodul, fire 1 ohm-1 watt motstander, trettito 3W hvite lysdioder, en 400W Boost-omformer, tre fotomotstander, en 40 mm datamaskin vifte og en termistor. Mikrokontrolleren vil bruke RTC til å sette lysene i en 12 timers på, 12 timers av syklus. Den vil overvåke lysnivåene i 2., 3. og 4. trinn med fotomotstander og varsle med en LED/piezo -alarm, hvis den oppdager et lavt lysnivå i et hvilket som helst trinn, under lys på syklus. Temperaturen på LED -driverkortet vil bli overvåket av en termistor koblet på linje med 40 mm viften og vil automatisk starte kjøling når det oppdages nok varme.

Nutrient Delivery -systemet ble utviklet av Michael Ratcliffe. Systemet bruker en Arduino Mega, en av Michaels EC -sondeideer, en 1602 LCD -tastaturskjerm, en DS18B20 vanntemperaturføler, en 12V peristaltisk doseringspumpe og et 5V opto isolert relé. Jeg la til en optisk væskenivåsensor. Systemet vil overvåke EC- og vanntemperaturen og aktivere peristaltisk pumpe for å dosere næringsstoffer etter behov. Mikrokontrolleren vil overvåke vannivået i sumpen og varsle med en LED/piezo -alarm hvis vanntemperaturen i sumpen er utenfor brukerens angitte område, hvis EC -sensordata er utenfor brukerens angitte område lenger enn brukerens sett tidsperiode eller hvis vannnivået i sumpen synker under det brukerinnstilte nivået.

Luftsirkulasjonssystemet vil bestå av en Arduino mikrokontroller, fire AM2302 sensorer, seks 40 mm datamaskinvifter (to luftsirkulasjonsvifter for 2., 3. og 4. trinn og 4 ventilasjonsvifter), en UV-C-sterilisator og seks 5V opto isolerte releer (for fansen). Kontrolleren vil overvåke lufttemperaturen og luftfuktigheten i alle fire trinnene og starte automatisk de to vifte sirkulasjonssystemet eller de enkelte trinns ventilasjonsvifter etter behov for å holde temperaturen og fuktigheten innenfor brukerens angitte områder. Kontrolleren vil også stille og kontrollere UV-C-sterilisatorens timing og opprettholde en LED/piezo-alarm i tilfelle temperaturen eller fuktigheten går utover brukerens angitte nivåer i noen av de fire trinnene.

Trinn 9: Bygget

50 cm3 -huset, kanalene, reservoaret for fordampning av ferskvann, luftningstårnet, den sentrale luftsirkulasjonskanalen, 1. og 2. trinns skuff, takstøttene (ikke vist) og de fleste andre støttestrukturer, vil bli bygget fra 0.187” Svart ABS. De fremre gardinene for trinnene er vist i Mylar -film, men vil mest sannsynlig være laget av reflekterende belagt akryl eller polykarbonat på selve prototypen. Belysningen (ikke vist, men bestående av 4 matriser med 8, 3W lysdioder i serie) vil bli montert på omtrent 0,125”aluminiumsplater med 0,125” kobberrør loddet på oversiden for væskekjøling, (at kjøling ville komme inn og ut av baksiden av enheten for å skille ikke-konkurranserelatert kjøler). VVS av NTF-vann til trinn 1 og 2 (vises ikke på noen av bildene, men) vil festes via en rask tilkobling foran på andre trinn.

Boost -omformeren (vist på bildet av det øverste lagringsområdet) kan flyttes under spiringsbrettet (trinn 1) for å gi ekstra varme til spiring. AM2302, temperatur- og fuktighetssensorer (ikke vist), vil være plassert høyt i hvert trinn (ut av den regelmessige planlagte luftsirkulasjonsbanen)

Det kan se ut til at designet ikke tenker på plass i det hele tatt,

men det er ikke tilfelle. Mitt NTF -system beskrevet her er ikke optimalisert eller modifisert for plass, men NTF hydroponiske systemer er seriøse utfordrere for de unike behovene til romavlinger i mikrogravity, og jeg har ideer om det er plassoptimalisering.

Konkurransen ba oss om å designe et system som vokste flere planter i et definert rom og automatisere designet så mye som mulig.

Designene som er valgt for fase 2 må først vokse planter på jorden. Jeg tror designet mitt oppfyller alle kravene i konkurransen og gjør det samtidig som jeg respekterer den sanne plassen som trengs for plantevekst, luftsirkulasjon, automatisert miljøkontroll og forbruksmateriell for plantene i en uke. Alt innenfor 50 cm3 plassen vi fikk.

Trinn 10: Å pakke det opp

Automatiseringen av The GARTH Project reduserer nødvendig oppmerksomhet til en gang i uken.

En syv ganger reduksjon i vedlikehold, sammenlignet med "VEGGIE" -systemet.

Seks anlegg startet ukentlig i The GARTH Project.

En firdobling i produksjonen, sammenlignet med seks fabrikker som ble startet månedlig i "VEGGIE" -systemet.

Jeg anser disse endringene som effektive, oppfinnsomme og effektive.

Jeg håper du også vil.

Runner Up i konkurransen Growing Beyond Earth Maker