Личный опыт: растения без земли

В околоэкологической тематике как в занятии для подростков есть одна существенная проблема: эта сфера подходит не всем. Потому что активная практика большинству покажется скучной или несовременной.
Для нас эта проблема актуальна, поскольку мы начинаем взаимодействие со школами. А в качестве научного опыта необходимо выбрать сферу, которая будет самой интересной. Выбор неожиданно пал на гидропонику, то есть выращивание растений при полном отсутствии земли.

Казалось бы, тема известна много веков, но только в современном мире стала активно использоваться. Прежде всего странами, которые стараются экономить воду. Скажем, на фотографии выше — фермы в Израиле или Нидерландах, занимающие колоссальную площадь. Лакомитесь зимой клубникой или томатами? Большая часть того, что есть в магазинах, выращена подобным способом. Правда, сорта подбираются исходя не из вкусовых качеств, а по принципу перевозкопригодности.

В Кировской области эта технология в чистом виде почти не применяется, за исключением Красногорского комбината и Кирово-Чепецкого тепличного хозяйства с их современной теплицей капельного полива.

Казалось бы, невелика проблема: нужно обеспечить подачу воды с питательным раствором, освещение, климатический режим… На первый взгляд показалось, что эксперимент будет простым и достаточно быстрым, но в процессе началась череда сплошных проблем.
Начать хотя бы с того, что в сжатом виде теории не было нигде, кроме длинных и довольно старых книг и… форумов ценителей марихуаны :-) Чтобы построить опытную установку, пришлось изучить всё, что попадалось.

К нашей команде присоединились и друзья: Павел Суходоев решил заняться автоматикой, Вячеслав Чулкин взялся помочь с электросетями, а Елена Галкина взялась за посадочный материал и теоретическую часть.

В качестве основы выбрали две французские гидропонные установки на 80 растений. Поэтому ящик для выращивания (гроу-бокс) получился два с половиной метра длиной. Купить готовый шкаф показалось слишком простым, да он и не удовлетворял требованиям по пожаробезопасности. Поэтому были использованы стекломагниевые листы на каркасе из профилей. Все стыки тщательно шпаклевали и проклеивали алюминиевой лентой, чтобы изолировать от возможных протечек.

Пока конструировали короб, пришло время ставить на проращивание рассаду при свете люминесцентных светильников Fluora с повышенным синим спектром. Взяли два вида салатов, базилик и пару других специй, поскольку они не так привередливы к условиям и меньше вероятности, что новички их загубят.
Жалели, что за неимением минеральной ваты пришлось использовать торфяные таблетки, поскольку при пересадке пришлось долго промывать корешки от грунта.

Одна из самых сложных частей — освещение в полностью изолированном боксе. Причём в разные периоды вегетации для продуктивного роста требуется разное соотношение спектров. С энергосберегающими лампами было достаточно просто, хоть их и потребовалось на нашу площадь восемь штук. Но для активного роста или цветения нужен красный спектр, то есть «тёплый свет», дать который могут не так много ламп. А требования по уровню освещенности оставляли немногочисленный выбор: натриевые, металлогалогенные или плазменные лампы.
Делая поправку на цены, решили использовать лампы ДНАЗ, которые достаточно сильно греются. Поэтому пришлось использовать отдельный изолированный вентиляционный контур, чтобы температура в боксе не повышалась бесконтрольно.
Работает это так: «синие» лампы имитируют утренний и вечерний периоды, а «тёплые» работают основную часть дня.

Для наилучшего роста внутри бокса нужно поддерживать температуру и уровень влажности. Установили увлажнитель, нагреватель и вентиляцию для перемешивания воздуха. Растениям требуется достаточный уровень углекислого газа, поэтому потребовалось сделать общую вентиляцию, которая каждый час прокачивала бы весь внутренний объём воздуха. Каждое устройство приходилось обсчитывать, чтобы добиться соответствия площади и нуждам. Например, общая вентиляция имеет мощность 115 м³/час, поэтому за пять минут может сменить весь объём воздуха в гроу-боксе. Вытяжка ламп работает на 380 м³/час, чтобы при двух лампах (они греются до 400 градусов) избежать нагревания бокса.

Прошли недели, оборудование монтировалось. Но для того, чтобы все функции работали, требовалась автоматизация. Её сделали на Arduino с десятью реле (по числу управляемых устройств), датчиком влажности и температуры, встроенными часами для расписания. Программирование контроллера было мучительным, поскольку работоспособность приходилось проверять непосредственно на плате. К тому же Павел, у которого был хоть какой-то опыт соответствующей разработки, был несколько… занят. Но помог с логикой и финальной ревизией кода в 30 Кб.

Оболочка получилась функциональная с экраном управления, где отображается текущий статус. Зато теперь вполне уверены, что справимся со значительной частью задач по автоматизации.

Очередная проблема — соединить плату с аппаратной частью. Чуялось, что без квалифицированной помощи и сотни метров проводов дело не обойдётся. Если бы не Вячеслав, то вряд ли удалось бы соединить контроллер, все устройства и высоковольтные стартеры для натриевых ламп. А как мы удивились, что всё заработало практически с первой попытки!

Подготовка питательного раствора тоже оказалась непростым делом. Пусть и использовались специальные растворы Flora Series, но без оборудования было не обойтись: потребовались pH- и TDS-метры. Причём последний прислали неоткалиброванным, поэтому если бы не помощь лаборанта ЗМУ Дарьи Медянцевой с солевым раствором…

Каждая установка содержит 45 литров жидкости с удобрениями. При разных стадиях роста требуется своя концентрация солей. Вода же должна быть нейтральной, то есть pH 5.6–5.8.

Рассаду пересадили в вываренный и нейтрализованный соляной кислотой керамзит. Это действительно занятие на каждый день: следить за состоянием растений, за количеством воды в увлажнителе, за кислотностью среды в резервуарах… После оказалось, что даже при хорошей аэрации в баках процветают водоросли. Пришлось добавлять бактерицидные лампы, которыми просвечивается вода.

Урожай получился скорым. Пробовали с опаской, а зря — по вкусовым качествам зелень получилась лучше, чем то, что предлагают в магазинах. Словом, всё удалось, эксперимент посчитали успешным и сейчас уже высадили томаты и перцы :-)
В подобных масштабах прикладной ценности в эксперименте не много. Разве что «свои» овощи в зимний период. Однако гидропонная ферма масштабируется до любых размеров. А подобный опыт из спецлитературы без практики получить невозможно.

Но как практика для учащихся в школах — вариант прекрасный:

• Подходит в качестве оригинального научного проекта, которые обязаны делать старшеклассники.
• Находится на стыке биологии и химии: для контроля качества воды необходимы соответствующие знания и приборная база, плюс нужно уметь визуально определять состояние растений.
• Маленькую установку на одно растение ребята могут сконструировать самостоятельно, «примерив» на себя роль инженера.
• Если всё правильно сделано, то достаточно контролировать параметры, и растения будут себя прекрасно чувствовать.
Никаких сюрпризов!
• Это каждодневная деятельность.

Мы постепенно начинаем в школах проект по эко-образованию как внеклассной деятельности. И это только один из примеров того, что мы сможем предложить ребятам :-)

РОО «Чепецк.РУ»