В основе любой пирамиды потребностей человека лежат базовые физиологические нужды: вода, пища, сон и т. д. Учитывая численность населения планеты, неудивительно, что именно эти ресурсы испытывают глобальную нехватку. Если же добавить сюда и нехватку энергоресурсов, то картина вырисовывается весьма удручающая. Научное сообщество уже не первый год находится в поисках оптимального метода решения этих проблем. Ученые из Университета Южной Австралии разработали концепцию морских вертикальных ферм, способную решить проблему нехватки чистой воды, сельскохозяйственных земельных ресурсов и продовольствия. Какова конструкция ферм на воде, как они работают, и насколько они эффективны? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Чистая вода и продукты питания являются двумя наиболее стратегически важными ресурсами, необходимыми для выживания человечества. Сообщается, что к 2050 году население, страдающее от нехватки пресной воды, увеличится с 933 миллионов в 2016 году до целых 2.37 миллиардов. При этом глобальные запасы воды для орошения сельского хозяйства сократятся примерно на 19%. Таким образом, чтобы устойчиво кормить растущее население (которое, по оценкам, к 2050 году достигнет 10 миллиардов), необходимо значительно повысить производительность продуктов питания, одновременно снижая воздействие сельского хозяйства на хрупкие экосистемы.

Помимо прямого сокращения запасов чистой воды для сельского хозяйства, сокращение пахотных земель, пригодных для сельского хозяйства, еще больше усугубило продовольственную безопасность. В настоящее время производство сельскохозяйственных культур осуществляется на 11% мировой суши, что составляет лишь 3% площади поверхности планеты. Львиная доля поверхности Земли — это океаны и моря. Если использовать эту площадь эффективно и рационально, морское сельское хозяйство может сыграть ключевую роль в борьбе с изменением климата и одновременно решить проблему нехватки продовольствия и чистой воды.

Хотя морское сельское хозяйство уже в некоторой степени развито, в настоящее время оно сталкивается с рядом проблем и ограничений. Во-первых, морское сельское хозяйство в основном подходит только для специализированных водных и некоторых солеустойчивых гидропонных растений, которые сами по себе не смогут удовлетворить растущие глобальные потребности в продовольствии. Во-вторых, из-за ограниченности ресурсов пресной воды в морских районах обычно требуется создание дополнительных объектов по производству пресной воды для поддержки орошения, что является чрезвычайно дорогостоящим процессом, требующим постоянного обслуживания. Кроме того, производство чистой воды и растениеводство обычно физически разделены на отдельные операционные единицы, которые занимают большую площадь поверхности, что увеличивает общие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию. Поэтому существует острая необходимость в разработке совершенно новой стратегии практического применения морского сельского хозяйства, которая была бы применима к широкому спектру типов коммерческих культур, эффективна в обеспечении чистой водой, проста в эксплуатации и экономически выгодна.

Межфазное солнечное испарение (ISE от interfacial solar evaporation) в последнее время привлекло интерес многих исследовательских групп из-за обилия солнечной энергии и морской воды, а также его минимального воздействия на окружающую среду. ISE было признано многообещающей технологией для опреснения морской воды, сбора и высвобождения атмосферной влаги, охлаждения солнечных батарей и восстановления почвы.

Основное преимущество по сравнению с ранее разработанными технологиями заключается в том, что технология опреснения на основе ISE создает самодостаточный источник чистой воды, который потенциально может не только удовлетворить потребности миллионов людей в питьевой воде, но и увеличить потребности сельского хозяйства. Кроме того, ученые на практике подтвердили применение солнечного света и морской воды для восстановления засоленных почв и орошения, успешно продемонстрировав, что самодостаточность комбинированной системы опреснения и сельского хозяйства ISE вполне реальна.


Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают многофункциональную двухслойную вертикальную солнечную морскую ферму (DVSSF от double-layered vertical solar sea farm), которая обеспечивает самовсасывающее орошение с помощью ISE морской воды (нижний слой) и сельскохозяйственное культивирование (верхний слой) посредством продольной стратификации. Эта конструкция существенно улучшает использование площади морской поверхности и обеспечивает устойчивое производство чистой воды для сельскохозяйственных нужд (1a).

Нижним слоем DVSSF является камера для производства чистой воды (1b), в которой используется технология ISE для эффективного испарения морской воды под воздействием солнечного излучения для получения пресной. Водотранспортные ленты, соединяющие две камеры, обеспечивают непрерывную транспортировку сконденсированной чистой воды из нижней испарительной камеры в верхнюю камеру, содержащую грунт. Эксперименты на открытом воздухе показали, что три вида овощей (брокколи, салат и бок-чой) могут хорошо расти на поверхности морской воды с уровнем прорастания > 80%.

Результаты исследования

Как отмечают ученые, создание поверхности с высоким светопоглощением и эффективностью преобразования света в тепло имеет решающее значение для достижения высокого уровня производства чистой воды с помощью ISE.

Благодаря сильной и быстрой координации фенольных гидроксильных групп Fe³⁺ и дубильной кислоты (ТА) последняя, сшитая с Fe³⁺, может прочно прикрепляться к поверхностям подложек различной формы и химического состава. Кроме того, включение rGO (восстановленный оксид графена) в сшитый комплекс может еще больше увеличить способность поглощения света, что повышает эффективность ISE.


Изображение №2

Покрытие хлопкового полотенца (TW от towel) слоем rGO-TA изменило поверхность волокон TW (2a-2d). Исходные гладкие поверхности волокон TW (2a, 2b) после процесса нанесения покрытия стали более шероховатыми, а промежутки между волокнами были заполнены как rGO, так и ТА (2c, 2d). Светопоглощение rGO-TA-TW увеличивалось с увеличением концентрации rGO. Например, светопоглощение чистого TW составляло всего 44.6%, достигнув 85.5% при увеличении концентрации rGO до 0.5 мг/л. Светопоглощение влажного rGO-TA-TW (влажный образец лучше соответствует практическим условиям при солнечном испарении) дополнительно увеличилось до 96.7% (2e). Кроме того, rGO-TA-TW обладал высокой гидрофильностью. Капля воды впитывалась всего за 0.6 секунды. В то время как для чистого TW на адсорбцию воды уходило около 4 секунд.

Более того, rGO-TA-TW также продемонстрировал превосходную стабильность, будучи способным выдерживать 10-минутную непрерывную обработку ультразвуком без отслаивания черных материалов.

Внедрение фототермических материалов значительно улучшило эффективность испарения воды. Скорость солнечного испарения морской воды с использованием rGO-TA-TW составила 1.29 кг·м² в час (2f), что примерно в 4 раза выше, чем без rGO-TA-TW (т.е. только морская вода). Во время солнечного испарения температура поверхности влажного rGO-TA-TW может быстро достичь устойчивой температуры 36 °C в течение 10 минут, чтобы обеспечить быструю локализацию солнечного тепла и эффективное ISE (2g, 2h). После прекращения солнечной радиации rGO-TA-TW быстро охлаждался до комнатной температуры в течение 30 минут. По мере постепенного понижения температуры скорость испарения также уменьшалась.


Изображение №3

В этой системе образующийся пар можно конденсировать и собирать в виде чистой воды для последующего орошения растений. Закрытая система солнечного испарения была использована для оценки скорости конденсации пара и скорости сбора чистой воды.

В течение 8 часов непрерывного испарения нетронутый TW показал фактическую скорость конденсации пара всего 0.21 кг/м² в час, тогда как для rGO-TA-TW скорость конденсации пара значительно увеличилась до 0.67 кг/м² в час (3a). За 16 часов наблюдений без солнечного освещения (в полной темноте) конденсация достигла 0.06 кг/м² в час.

Концентрации четырех основных катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺) в собранной конденсированной воде были значительно ниже по сравнению с таковыми в морской воде, а также намного ниже граничного показателя для питьевой опресненной воды, установленного ВОЗ (3b).

Брокколи, ежедневно орошаемые собранной конденсированной водой, показали здоровый рост (3c) в отличие от растений, орошаемых морской водой (3d).

Для практического применения полученной за счет ISE чистой воды для орошения растений была спроектирована система DVSSF, состоящая из камеры солнечно-термического опреснения морской воды (нижний слой) и камеры выращивания растений (верхний слой) (3e). Несколько водных лент были размещены на задней внутренней стенке DVSSF для эффективной передачи конденсированной чистой воды из камеры солнечного испарения в камеру роста под действием капиллярной силы, обеспечивая автоматическую подачу воды.

Под воздействием солнечного света растения в верхнем слое потребляли воду посредством фотосинтеза и транспирации, и в то же время фототермические испарители в нижней камере поглощали солнечный свет для испарения морской воды и производства чистой воды. Весь процесс происходил без какого-либо вмешательства человека.

Для сравнения также было изготовлено устройство без фототермических испарителей. В устройстве-прототипе на внутренней стенке в течение 30 мин четко наблюдался конденсат, тогда как в контрольном эксперименте без испарителей явного конденсата не наблюдалось.

Также были проведены длительные испытания в помещении для проверки возможностей DVSSF. Изменение содержания влаги в почве в ходе испытания представлено на 3f. В течение первых 9 дней без использования купола влажность почвы при легком освещении стабильно снижалась. Через 9 дней содержание воды в почве все еще превышало 12% и оставалось пригодным для роста растений. При установке купола на следующие 2 дня содержание влаги в почве быстро увеличивалось и возвращалось к исходному уровню. Содержание влаги в почве снова начало снижаться, когда на 11-е сутки купол опять убрали. Для сравнения, длительное испарение в темноте продемонстрировало, что содержание воды в почве быстро упало с 20% до 12% за 4 дня (3f), при этом низкое содержание воды в почве не способствует прорастанию и росту семян. Хотя условия окружающей среды (т. е. температура и влажность в помещении) колебались во время долгосрочных испытаний, они не оказали существенного влияния на содержание влаги в почве внутри DVSSF.

Также было установлено, что при легком освещении растения могли нормально расти благодаря подаче воды из ISE и подходящему содержанию влаги в почве (3g), что ясно доказывает осуществимость конструкции вертикальной солнечной морской фермы.


Изображение №4

Для длительных испытаний на открытом воздухе были подготовлены четыре различные системы DVSSF (4a):

• без водяных лент или фототермических испарителей (DVSSF I);
• с водяными лентами, но без фототермических испарителей (DVSSF II);
• без водяных лент, но с фототермическими испарителями (DVSSF III);
• как с водяными лентами, так и с фототермическими испарителями (DVSSF IV).

Естественно, слишком много или слишком мало воды повлияет на рост растений. Но уровень влаги в почве можно регулировать за счет настройки открытия/закрытия купола. Также може быть установлен контейнер для сбора излишней воды, которая в последствии может использоваться.

Испытания на открытом воздухе проводились на территории университета в течение двух недель с использованием морской воды. Регистрировались влажность и температура внутри камеры для произрастания растений каждого DVSSF и соответствующие параметры внешней среды. Температура внутри DVSSF IV обычно была ниже 40 °C.

Стоит отметить, что обычные плавучие фермы, как правило, представляют собой закрытые системы, и непрерывное потребление солнечной энергии во время испарения и конденсации пара морской воды часто приводит к перегреву. Для сравнения, DVSSF обеспечивает непрерывное испарение морской воды и конденсацию пара, одновременно поддерживая подходящие условия окружающей среды для роста растений благодаря пространству разделения нижней камеры для солнечного испарения и верхней камеры для выращивания растений.

Во время испытаний температура достигала пикового значения каждый день около 13:00, а внутренняя влажность постоянно стабилизировалась на уровне ~ 80% в течение 14 дней, несмотря на более низкую внешнюю влажность окружающей среды, что указывает на достаточное содержание влаги в почве для роста растений.

Для трех других DVSSF, таких как DVSFF I, хотя температура существенно не менялась, после начала эксперимента влажность в камере культивирования постоянно снижалась, становясь через три дня похожей (< 40%) на внешнюю влажность.

Наблюдение за поверхностью почвы в ходе испытаний (4b) показало, что в DVSSF I-III поверхность почвы начинала высыхать в течение 3 суток, а через 14 суток полностью высыхала и растрескивалась, в результате чего семена не прорастали. Напротив, в DVSSF IV поверхность почвы всегда была влажной, что приводило к отличному прорастанию семян. Измеренное содержание влаги в почве в DVSSF I-III постоянно снижалось и оставалось на уровне около 5% через 10 дней. А в DVSSF IV содержание влаги в почве оставалось относительно стабильным на уровне около 20% в течение всех 14 дней (4c). Семена брокколи в DVSSF IV начали прорастать только через 3 дня после начала испытаний и продолжали хорошо расти, достигнув высоты около 4 см через 2 недели, что подтверждает успешное устойчивое выращивание растений (4d). Следует вывод, что для практического применения подходит только конструкция DVSSF IV, содержащая и фототермические испарители, и водяные ленты.

В практическом применении на скорость производства воды также влияют погодные условия, такие как интенсивность солнечного света, угол падения света и температура окружающей среды. Во время испытаний на открытом воздухе данные о солнечном воздействии, собранные местным бюро метеорологии, использовались для расчета соответствующего угла падения для конструкции DVSSF.

Испарители будут полностью подвергаться воздействию солнечного света, если угол падения будет < 45.0°. Во время испытаний угол падения света составлял > 45° всего около 2 часов в день. Это подтверждает, что испарители в DVSSF могут эффективно улавливать естественный падающий солнечный свет для обеспечения процессов ISE. Ученые уточняют, поскольку угол падения солнечного света варьируется в зависимости от географического региона, окончательную конфигурацию DVSSF следует скорректировать с учетом местных особенностей окружающей среды для обеспечения эффективного сбора солнечного света.


Изображение №5

После успешных испытаний прототипа системы ученые провели относительно крупномасштабные эксперименты на открытом воздухе с использованием трех различных типов растений. В частности, был подготовлен большой бассейн (1 м²) с искусственной морской водой и шесть DVSSF с тремя разными семенами (по два для брокколи, салата и бок-чой) (5a). Наблюдения проводились с 4 по 23 мая 2022 года. Условия окружающей среды (т. е. температура и влажность) и соответствующие условия в камере для выращивания растений регистрировались с 7:00 до 17:00 21 мая 2022 года.

Температура внутри устройства всегда была выше температуры окружающей среды (5b), причем соответствующее повышение температуры способствовало росту растений. В 7 часов утра начальная влажность в камере (85%) была аналогична влажности окружающей среды (84%). В дальнейшем, хотя влажность окружающей среды демонстрировала значительные суточные колебания (значительно снижаясь в течение дня), влажность внутри камеры оставалась постоянной на уровне ~ 80% (5c). Измерения временных изменений дневного солнечного потока и угла падения (5d) показали, что более высокий угол падения приводит к более высокому солнечному потоку между 11:00 и 14:00, когда и интенсивность света, и угол падения достигают максимума 0.95 Солнца и 35° соответственно около 13:00.

Соответственно, когда солнечный поток достигал максимума, несмотря на низкую внешнюю влажность окружающей среды, внутренняя влажность могла поддерживаться на уровне ~75% в течение всех 20 дней испытаний (5e). Кроме того, внутренняя температура в камере поддерживалась ниже 40 °C, что обеспечивало нормальный рост растений.

Анализы растений показали, что во время испытаний все брокколи, салат и бок-чой росли хорошо, демонстрируя разную длину в зависимости от растения (5f-5g), и все три растения имели всхожесть > 80%.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые описали свое изобретение — многофункциональную двухслойную вертикальную солнечную морскую ферму (DVSSF от double-layered vertical solar sea farm). Используя солнечный свет и морскую воду DVSSF способна эффективно выращивать различные сельскохозяйственные культуры. Устройство состоит из двух уровней: в нижнем уровне морская вода за счет солнечного света и конденсации преобразуется в пресную и направляется по специальным лентам (за счет капиллярного эффекта) в верхнюю камеру, где расположена почва для выращивания растений.

Такая двухуровневая система намного лучше классических надводных ферм, в которых испарители устанавливаются прямо в камерах выращивания, тем самым отнимая ценное пространство. Не говоря уже о том, что подобные системы склонны к перегреву и, как следствие, гибели урожая. DVSSF в свою очередь не перегревается и сохраняет стабильный уровень влажности почвы на протяжении дня вне зависимости от меняющихся условий окружающей среды.

На данном этапе исследования DVSSF это лишь прототип, главной целью которого является подтверждение концепции. Однако уже сейчас виден огромный потенциал. Использование солнечной энергии и морской воды для выращивания растений это крайне выгодный вариант решения глобальной нехватки продовольствия и даже питьевой воды. Не говоря уже о том, что увеличение обрабатываемых фермерских земель на суше сильно осложнено различными факторами, тогда как создание надводных ферм позволяет использовать поверхность морей и океанов, занимающих порядка 70% площади Земли.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?