Вертикальное земледелие может спасти человечество: это устойчивость продуктов питания при минимуме электроэнергии

Исследователи изучили, как динамический контроль окружающей среды в крытых фермах может помочь прокормить растущее население питательными, высококачественными, выращенными на месте фруктами и овощами. Исследователи подчеркивают, что новые системы могут повысить качество и устойчивость продуктов питания, сократив при этом потребление энергии.

Вертикальное земледелие обещает произвести революцию в производстве продуктов питания в городских и экстремальных условиях, оптимизируя рост растений за счет динамического контроля окружающей среды, в частности  умного освещения, которое подстраивается под расходы на электроэнергию и потребности растений.

Во все более перенаселенном мире, чтобы всем хватало еды, требуются инновационные подходы. Вертикальное земледелие с его методом интенсивного выращивания растений в закрытых помещениях представляет собой жизнеспособный вариант.

Основное препятствие для его широкого распространения заключается в высокой стоимости и энергопотреблении освещения, необходимого для роста растений. Ученые пришли к выводу, что регулировка освещения в соответствии с индивидуальными потребностями каждой культуры может способствовать более сильному и здоровому росту и одновременно сократить потребление энергии.

«Самое большое преимущество вертикальных фермерских систем в том, что здоровые продукты питания можно выращивать гораздо ближе к потребителям в мегаполисах, в пустынях и там, где большую часть года холодно и темно, — говорит доктор Элиас Кайзер, первый автор статьи в журнале Frontiers in Science. — Самая большая проблема — это расходы на электроэнергию».

Многие системы вертикального земледелия работают при постоянных условиях окружающей среды, что требует большого количества дорогостоящей электроэнергии для обслуживания.

Анализ, проведенный учеными, показывает, что в таких сложных условиях нет необходимости: используя динамический контроль окружающей среды, можно добиться более экономичного вертикального земледелия и выращивать более здоровые растения.

«Нас побудили к этому ритмы, которые растения демонстрируют как в суточном периоде, так и в периоде развития, и которые требуют регулярной корректировки среды выращивания, чтобы идеально направлять их рост», — говорит профессор Лео Марселис, старший автор работы.

«Мы излагаем стратегию, которая использует знания физиологии растений, новые методы зондирования и моделирования, а также новые сорта, специально выведенные для систем вертикального земледелия», — добавил он.

Поскольку биологические функции растений в значительной степени зависят от условий окружающей среды, таких как изменение температуры, длина волны света и количество CO2 в атмосфере, манипулирование окружающей средой позволяет системе вертикального земледелия управлять развитием растений.

Освещение критически важно, необходимо всем растениям для фотосинтеза, а различные длины световых волн по-разному воздействуют на разные растения. Здесь особенно значимы цены на электроэнергию и открываются возможности для повышения эффективности.

«Колебания цен на электроэнергию можно использовать в интересах систем вертикального земледелия, используя больше электроэнергии, когда она дешевле», — пояснил Марселис.

Авторы создали модель для тестирования умного освещения, цель которой — поддерживать способность растений к фотосинтезу на постоянном уровне в течение дня и при этом снижать затраты на электроэнергию. Они обнаружили, что оптимизационный алгоритм может сократить расходы на электроэнергию на 12% без ущерба для фиксации углерода растениями, просто изменяя интенсивность света.

Затем они проверили, влияет ли изменение интенсивности света на рост листовых растений, таких как шпинат, которые часто выращивают на вертикальных фермах, и обнаружили, что никакого негативного эффекта нет. Это было верно даже в том случае, если интенсивность света менялась нерегулярно, а не по предсказуемой, регулярной схеме.

«Многие из предложенных решений не были протестированы в более крупных масштабах вертикальных ферм: они могут быть продемонстрированы на уровне отдельных растений, но еще не на уровне целых культур», — предупреждает Кайзер.

Динамическая регулировка расхода воздуха, температуры и CO2 в соответствии с потребностями растений может потенциально предложить возможности для минимизации затрат на электроэнергию. Фермерам понадобятся соответствующие датчики и модели, которые помогут им контролировать и регулировать окружающую среду, а также новые сорта, выведенные для вертикального земледелия.

Эти сорта могут использовать потенциал местного производства в защищенном грунте, чтобы сосредоточиться на лучших питательных и вкусовых качествах, а не на лежкости или сроке хранения. Необходимы дополнительные исследования, чтобы выверить все эти переменные и найти правильный баланс между высококачественными и высокоурожайными культурами.

По словам Марселиса, в вертикальной ферме все условия роста можно точно контролировать, что очень важно для оптимизации урожайности, качества и эффективности использования ресурсов. Однако техническая возможность поддерживать их на постоянном уровне не означает, что это лучшее решение.

«Как только будет налажен динамический контроль за состоянием окружающей среды, можно будет существенно снизить как потребление энергии, так и затраты на нее, что повысит рентабельность и устойчивость вертикальных ферм», — добавил он.

Ранее исследователи из Университета Флориды использовали CRISPR/Cas9 для изменения угла наклона листьев сахарного тростника, что значительно повысило эффективность захвата солнечного света и урожайность. Этот прорыв в редактировании сложного полиплоидного генома сахарного тростника знаменует собой достижение в области улучшения сельскохозяйственных культур и производства биотоплива.