Възможно е да се наложи да увеличим производството на храна с до 70% до 2050 г. Системите за вертикално земеделие биха могли да осигурят интензивно производство на пресни плодове и зеленчуци, които са изключително важни за здравословното хранене, за да ни помогнат да постигнем тази цел. То обаче е енергоемко, което го прави скъпо и трудно за прилагане в голям мащаб. Сега учени, публикуващи в Frontiers in Science, показват как динамичният контрол на околната среда, подкрепен от сензори и моделиране, може да направи възможно разширяването на системите за вертикално земеделие, за да се гарантира безопасността и сигурността на храните в бъдеще.
За да сме сигурни, че всички се хранят добре в нашия пренаселен свят, трябва да въвеждаме иновации. Системите за вертикално земеделие, при които растенията се отглеждат интензивно на закрито, могат да бъдат част от отговора, но за да ги използваме в голям мащаб, трябва да преодолеем ключови проблеми, особено управлението на скъпата и енергоемка светлина, от която растенията се нуждаят, за да растат. Сега учените показват как манипулирането на светлината в зависимост от нуждите на конкретните култури може да ги накара да растат по-силни и по-здрави, като същевременно се сведе до минимум използването на енергия.
„Най-голямото предимство на системите за вертикално земеделие е, че здравословна храна може да се отглежда много по-близо до потребителите на места, където това е невъзможно по друг начин: в мегаполиси, в пустини и на места, които са студени и тъмни през голяма част от годината“, казва д-р Елиас Кайзер, първи автор на статията в Frontiers in Science. „Най-голямото предизвикателство са разходите, свързани с използването на електроенергия.“
Осветляване на проблема
Много системи за вертикално земеделие работят, използвайки постоянни условия на околната среда, които изискват много скъпа електроенергия за поддръжка. Анализът на учените показва, че тези взискателни условия са ненужни: с помощта на динамичен контрол на околната среда, предполагат те, можем да постигнем вертикално земеделие, което е по-рентабилно и което отглежда по-здрави растения.
„Бяхме мотивирани от ритмите, които растенията проявяват както в денонощен, така и във времеви диапазон на развитие, което изисква околната среда да се регулира редовно, за да се направлява перфектно растежът им“, казва професор Лео Марселис от Университета Вагенинген, старши автор. „Ние очертаваме стратегия, която използва познания в областта на физиологията на растенията, нови техники за отчитане и моделиране, както и нови сортове, специално отглеждани за системи за вертикално земеделие.“
Тъй като биологичните функции на растенията се влияят в голяма степен от условията на околната среда, като например промените в температурата, дължината на светлинната вълна и количеството на CO₂ в атмосферата, манипулирането на околната среда позволява на системата за вертикално земеделие да манипулира развитието на растенията. Осветлението е критична променлива; всички растения се нуждаят от него, за да фотосинтезират, а различните дължини на светлинните вълни имат различно въздействие върху различните растения. Тази променлива също така е особено чувствителна към цените на електроенергията, така че предлага възможности за повишаване на ефективността.
„Колебанията в цените на електроенергията могат да се използват в полза на системите за вертикално земеделие, като се използва повече електроенергия, когато тя е по-евтина“, обяснява Марселис.
Авторите са създали модел за тестване на интелигентно осветление, който има за цел да поддържа способността на растенията за фотосинтеза постоянна в рамките на деня, като същевременно намалява разходите за електроенергия. Те установиха, че алгоритъмът за оптимизация може да намали разходите за електроенергия с 12 %, без да застрашава фиксирането на въглерод от растенията, само чрез промяна на интензивността на светлината.
След това те провериха дали промяната на интензивността на светлината влияе върху растежа на листни растения като спанака, които често се отглеждат във вертикални ферми, и установиха, че няма отрицателен ефект. Това е вярно дори когато растенията са били подложени на неравномерно променяща се интензивност на светлината, а не на предсказуем, редовен модел.
Семената на бъдещето
Остава да се решат и други важни въпроси, преди вертикалното земеделие да помогне за изхранването на света.
„Много от предложените решения не са били тествани в по-големи мащаби, каквито представляват вертикалните ферми - те може да са били показани на ниво едно растение, но все още не и на ниво цял посев“, предупреждава Кайзер.
Динамичното регулиране на дебита на въздуха, температурата и емисиите на CO₂ в зависимост от нуждите на растенията би могло да предложи възможности за минимизиране на разходите за електроенергия. Фермерите ще се нуждаят от подходящи сензори и модели, които да им помогнат да наблюдават и регулират средата, както и от нови сортове, отглеждани за вертикално земеделие. Тези сортове биха могли да се възползват от потенциала за местно производство в защитени условия, за да се съсредоточат върху по-добрите хранителни и сензорни качества, а не върху здравината или срока на годност. Необходими са още изследвания, за да се калибрират всички тези променливи и да се постигне правилният баланс между висококачествени и високодобивни култури.
„Във вертикалната ферма всички условия на растеж могат да бъдат точно контролирани, което е много важно за оптимизиране на добива, качеството и ефективността на използване на ресурсите“, казва Марселис. „Въпреки това техническата възможност да ги поддържаме постоянни не означава, че поддържането им е най-доброто решение. След като се установи динамичен контрол на околната среда, може значително да се намалят както потреблението на енергия, така и разходите за използваната енергия, което увеличава рентабилността и устойчивостта на вертикалните ферми.“
Проучването е ръководено от екип изследователи от Университета Вагенинген и включва изследователи от други университети по света. То е част от мултимедийния хъб за статии Frontiers in Science „Оптимизиране на условията за вертикално земеделие“, който включва също редакционна статия, две гледни точки и политически перспективи от други изтъкнати експерти: Диксън Деспомиер (Колумбийски университет в град Ню Йорк, САЩ), проф. Юсеф Руфаел (Университет Неапол Федерико II, Италия), д-р Реймънд М. Уилър (Космически център Кенеди на НАСА, САЩ) и Ан Лоебер (Институт Атина, Нидерландия), както и обяснителна статия с инфографики.
