SmartFarm-enhed høster luftfugtighed for autonom, selvbærende bylandbrug

Et team af forskere fra National University of Singapore (NUS) har for nylig udviklet en simpel løsning til at løse to af verdens største problemer - vandknaphed og fødevaremangel. De skabte en solcelledrevet, fuldautomatisk enhed kaldet "SmartFarm", der er udstyret med et fugttiltrækkende materiale til at absorbere luftfugtighed om natten, når den relative luftfugtighed er højere, og frigiver vand, når det udsættes for sollys om dagen til kunstvanding.

SmartFarm har en anden fordel - vandhøstnings- og kunstvandingsprocessen kan finjusteres, så den passer til forskellige typer planter og lokalt klima for optimal dyrkning. Det hygroskopiske materiale, der bruges i SmartFarm, blev tidligere testet af Hawai'i Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) for dets anvendelse til fugtkontrol til rumbaseret landbrug.

"Atmosfærisk luftfugtighed er en enorm kilde til ferskvand, men den er forblevet relativt uudforsket. I dette arbejde, vi har forsøgt at afbøde mad- og vandmangel på samme tid. Vi skabte et hygroskopisk kobberbaseret materiale og brugte det til at trække fugt fra luften. Vi integrerer derefter dette materiale i en fuldautomatisk solcelledrevet enhed, der udnytter det høstede vand til at vande planter dagligt uden manuel indgriben, " forklarede projektleder adjunkt Tan Swee Ching, der er fra Institut for Materialevidenskab og Teknik på NUS.

Dette arbejde blev offentliggjort i den trykte udgave af et videnskabeligt tidsskrift Avancerede materialer i oktober 2020.

Ny hydrogel som ankerteknologi

Nøglekomponenten i SmartFarm-enheden er en specielt designet kobberbaseret hydrogel, som blev produceret ved hjælp af en økonomisk og tidsbesparende proces. Dette materiale er ekstremt absorberende, og optager fugt op til tre gange sin vægt. Efter at have optaget fugt, hydrogelen skifter farve fra brun til mørkegrøn og til sidst til lysegrøn, når den er mættet med fugt. Det frigiver også vand hurtigt under naturligt sollys - et gram af den kobberbaserede hydrogel frigiver 2,24 gram vand i timen.

NUS-teamet testede også kvaliteten af ​​det vand, der blev opsamlet ved hjælp af den kobberbaserede hydrogel, og fandt ud af, at det lever op til WHO's standarder for drikkevand. Derfor, vandet opsamlet af den kobberbaserede hydrogel er velegnet til drikke- og landbrugsformål.

Disse interessante egenskaber gør den attraktiv at anvende i SmartFarm-enheden.

Om natten, topdækslet åbnes for at tillade den kobberbaserede hydrogel at tiltrække atmosfærisk fugt. Om dagen, på et forudbestemt tidspunkt, topdækslet lukker for at begrænse vanddampen, så det kan kondensere på kabinettets overflade, især på topdækslet. Der vil gradvist dannes vanddråber, og når fugten i den kobberbaserede hydrogel er fuldstændig frigivet, topdækslet åbnes automatisk, og vanddråber, som tørres af med de parallelle viskere, falder ned på jorden for at vande planterne. De resterende vanddråber på enhedens vægge giver fortsat et fugtigt miljø for sund plantevækst.

Som et proof-of-concept, NUS-holdet dyrkede med succes Ipomoea aquatica (almindeligvis kendt som kangkong, en populær grøntsag i Sydøstasien) ved hjælp af SmartFarm-enheden.

Asst Prof Tan sagde, "SmartFarm-konceptet reducerer i høj grad efterspørgslen efter ferskvand til irritation og er velegnet til urban farming-teknikker såsom storskala rooftop farming. Dette er et væsentligt skridt fremad i at afhjælpe vand- og fødevaremangel i den nærmeste fremtid."

"Vi har også etableret et samarbejde med HI-SEAS for at eksperimentere med påføringen af ​​vores hydrogel til fugtkontrol i ekstra-jordiske plantevækstkamre. Vi håber også at udforske andre potentielle rumapplikationer, " han tilføjede.

Dyrkning af mad i rummet

HI-SEAS er et fjerntliggende anlæg placeret på lavafelterne i Hawaiis Mauna Loa-vulkan, der er designet til at simulere langvarige missioner til Månen og Mars. hr. Benjamin Greaves, som deltog i Selene II simulerede månemission på HI-SEAS, som fandt sted fra november til december 2020, brugte hydrogelen udviklet af NUS-teamet til at kontrollere fugtigheden i små eksperimentelle drivhuse til at dyrke og opretholde afgrøder af spiselige mikrogrønne solsikkeplanter og højlandskarse til missionsastronauterne.

"Disse er perfekte til udforskning af rummet, fordi vi har meget begrænset plads til at dyrke planter deroppe, men disse mikrogrøntsager er stadig fyldt med næringsstoffer, vitaminer og mineraler, " sagde Mr. Greaves. De hydrogel-dyrkede planter gav et velkomment frisk supplement til den frysetørrede mad, der blev leveret til størstedelen af ​​missionen.

HI-SEAS eksperimenterne viste, at hydrogelerne udviklet på NUS tilbyder en potentiel lav pris, lav vægt og lav energi løsning til dyrkning af afgrøder i selvbærende gårde.

Nye funktionaliteter

NUS-teamet forestiller sig, at SmartFarm-enheden kan forbedres yderligere med yderligere funktionaliteter, før den flytter til storskala og kommerciel produktion. For eksempel, en flerlagsstruktur kunne designes for at maksimere nytten af ​​tagrum for at øge fødevareproduktionen, og en luftkølet kondensator kan tilføjes til enheden, hvis planterne er modtagelige for temperatur.

Desuden, for at beskytte mod langvarige overskyede dage, et varmesystem kunne indlejres i beholderen med kobberbaseret hydrogel for at give tilstrækkelig termisk energi til at aktivere vandafgivelsesprocessen uden sollys. Ud over, SmartFarm-enheden kan inkorporere trådløs netværkskapacitet for at gøre det muligt for brugere at overvåge og kontrollere dyrkningsprocessen ved hjælp af smartphones.