С каждым годом количество населения в мире растёт, и производство продуктов питания является очень острым вопросом, всё более усугубляющимся. 

Эффективное производство растительных компонентов продуктов питания, — требует постоянного удобрения почвы, на что уходят существенные количества синтетических удобрений, требующие, на свою закупку достаточно больших бюджетов.

Причём, ситуация усугубляется ещё и тем, что не всегда всё можно решить деньгами — зачастую, бывает такое, что все существующие мощности производящих заводов законтрактованы, и у покупателя вроде бы даже есть деньги на закупку, но он не может купить — никто не продаёт!

Или же, вроде бы готовы продать, но невозможно перевезти, так как все мощности логистических компаний заняты.

Таким образом, мы видим, что одним из довольно проблемных узких мест в производстве растительных продуктов питания является стабильная поставка удобрений. 

И не так давно, несколькоразрозненных групп учёных предложили интересный подход, который решает эту проблему, весьма неожиданным образом: зачем нужно производить удобрения и возить их «с одного конца света на другой», если можно их получать прямо на месте, где они и будут потребляться!

Самое интересное, что способ этот весьма прост, настолько, что практически любой, немного «дружащий» с электроникой — может воспроизвести его самостоятельно: обработка почвы продуктами термохимических реакций в плазме!

Звучит страшно — но, на самом деле, всё просто! :-)

Итак, в чём суть затеи?

Но, чтобы лучше всё понять, мы зайдём с самого начала, и посмотрим, а для чего вообще нужны удобрения, какие они бывают, и уже только потом, перейдём к тому, что предложили учёные...

Удобрения: общий взгляд

Сельскохозяйственным растениям для своего роста и эффективного плодоношения, необходим целый ряд удобрений:

• азотные: для стимуляции роста растений, увеличения количества растительного белка в них;

• фосфорные: для укрепления корневой системы, повышают устойчивость к экстремальным ситуациям — недостатку влаги или перепадам температуры, увеличивают выход плодов, усиливают цветение;

• калийные: служат для усиления иммунитета растений против болезней и вредных насекомых, а также улучшают качество плодов.

Таким образом, мы видим, что для полноценного развития растений, необходим целый их комплекс, где каждое из них служит своей цели. 

Поэтому, иногда применяют комплексные удобрения, содержащие многие компоненты. 

По данным ООН, потребление азотных удобрений в мире достигает 60% от общего их числа, тогда как оставшиеся доли распределяются следующим образом: 25% — фосфорные, 15% — калийные.

Таким образом, мы видим, что потребление азотных удобрений самое большое, поэтому, решение проблемы с ними, — одно из самых требующихся человечеству.

Что такое «плазма»*?

*Это слово может использоваться в разных значениях (плазма крови, как пример), поэтому, мы же далее будем рассматривать его, подразумевая под ним одно из возможных значений, а именно — «ионизированный газ», так как именно он будет использоваться в дальнейшем, для создания полезного эффекта.

Как выше уже было сказано, под плазмой в нашем случае понимается ионизированный газ, который представлен электронами, ионами и нейтральными частицами. 

Плазму разделяют, как минимум, на два вида:

• высокотемпературную, с температурой более 1000000°С;

• низкотемпературную, с температурой, находящейся в пределах от 50 до 10 000°С, причём, к верхней части диапазона температур (3000–10 000°С) относят, так называемую «термическую, частично равновесную плазму» — которая носит такое название из‑за того, что все частицы, её составляющие имеют практически одинаковую температуру, тогда как к нижней части диапазона (30–100°С) относят, «нетермическую, неравновесную плазму», в которой тяжёлые элементы (ионы, атомы) остаются относительно холодными, в то время как остальные элементы (электроны) могут быть гораздо более нагретыми.

В способе, который будет рассматриваться ниже, применяется как раз последний тип, — нетермическая низкотемпературная плазма, благодаря своим относительно щадящим свойствам, позволяющим производить установки достаточно маленькими в размерах, экономичными и долговечными.

Для генерации такого типа плазмы, необходим источник питания, который может обеспечить напряжение в 20 кВ, с током до 500 мА, с частотой следования импульсов до 100 кГц.

К этому источнику питания подключаются 2 (или более) электрода, расположенные с воздушным (газовым) промежутком между ними, в котором, после включения источника питания, возникает разряд, а при продувании сквозь этот разряд соответствующего газа, появляется плазменная струя, образованная продуктами распада газа, которая может дополнительно направляться в нужное место, с применением сопла.

Что же предложили учёные?

Дело втом, что плазменная струя, выступает в роли своеобразного реактора, и, если для создания плазменной струи использовать атмосферный воздух, то в нём будет происходить связывание азота, который содержится в атмосфере, с образованием нитратов, причём, что интересно, в максимально биоусвояемой форме — то есть, такой азот очень хорошо воспринимается растениями!

Мы видели выше, что плазменная струя приводит к «развалу» молекул на компоненты, и, теоретически (если рассуждать с бытовой точки зрения), компоненты должны были бы собраться обратно (по выходу из струи), в молекулы, той же самой конструкции, что и были до этого — то есть, по идее, никакого связывания азота не должно было бы происходить.

Но, не всё так просто — развалившиеся на радикалы и ионы молекулы азота с огромной скоростью реагируют с развалившимися молекулами кислорода, представленными атомарным кислородом (это основной путь реакции).

Также, следует отметить, что в плазменной струе содержатся не только компоненты молекул, но и целые молекулы — в том числе кислорода.

Реакция компонентов молекулы азота с атомарным кислородом или его молекулами происходит с гораздо большей скоростью, чем скорость сборки молекул азота обратно.

Поэтому, подавляющее большинство компонентов молекулы азота успевают прореагировать с кислородом и в результате образуются связанные формы азота: NO, NO₂.

В атмосферном же воздухе содержится просто огромное количество азота, — более 78%! 

Таким образом, в плазменной струе, большая часть прореагировавших компонентов будет представлена именно связанными азотом и кислородом!

И здесь обратите внимание на инженерную элегантность затеи: зачем перевозить с места на место азотные удобрения, пытаться закупать их — если мы вокруг окружены просто гигантским количеством азота, остаётся только его напрямую извлечь из воздуха и направить в почву!

Далее, этот связанный азот направляют в ёмкость с водой, чтобы произошла его реакция с ней, в результате чего образуются азотная или азотистая кислоты, которые диссоциируют в воде на нитраты и нитриты.

Для уменьшения кислотности воды, после появления в ней азота, в неё можно предварительно поместить металлы в виде стружки/порошка/кусочков — алюминий, цинк, магний.

При этом, нужно заботиться о уровне кислотности этой воды, чтобы она не была чрезмерной, так как это может привести к повреждению корневой системы и микрофлоры почвы (мы же не ставим себе цель, произвести обеззараживание почвы).

Для этого отслеживают, чтобы уровень pH воды был в диапазоне от 5.5 до 7 и контроль этого производится обычно электронным способом (по сравнению с остальными, он даёт самую минимальную погрешность, и ещё попросту удобен).

Кстати говоря, тут подумалось, что это может быть интересной идеей, — собрать такую установку(ки) и предложить свои услуги по «электронному удобрению почв» — сельскохозяйственным холдингам. Наверняка, они бы заинтересовались — потому что все любят экономить денежки;‑)

Причём! Здесь есть шикарная возможность для ещё большего уменьшения стоимости: зачем регулировать уровень pH относительно неэффективными методами, добавляя металлы в воду — если можно попросту погрузить в воду электронный датчик уровня кислотности (это будет наша обратная связь), а подачу питания на плазменную струю, производить через ШИМ‑контроль!

Таким образом, мы можем регулировать уровень кислотности в реальном времени, с высочайшей точностью, без необходимости возиться с какой‑то стружкой или порошками металлов (что, к тому же, удорожает процесс — а это нам не нужно).

Забавно, что такую полезную штуку может собрать даже начинающий ардуинщик — но, тем не менее, это аппарат с переднего края науки, так как эксперименты в этом направлении идут прямо в данный момент и весьма занимают учёных!

К слову, о конструкции: вот как выглядит принципиальная схема аппарата, с которым экспериментировали учёные:

И, самое интересное — а какие результаты дала вся эта затея?

В ходе экспериментов (подробный отчёт о которых, с графиками и тщательным описанием каждого этапа, вы можете найти здесь), учёными применялась плазменная установка с энергопотреблением в 7,2 Вт, с помощью которой изготавливалась обработанная плазмой вода, в результате чего, было выявлено, что скорость роста кукурузы (они экспериментировали именно с ней) увеличилась вплоть до 30%, с одновременным увеличением длины её стеблей до 25%, и улучшением других качеств.

Кроме этого, в других экспериментах, другая исследовательская группа, провела эксперимент с выращиванием листьев салата гидропонным способом, также, применив удобрение этих растений, с помощью «плазменной» воды, где, было выявлено, что, в принципе, нитратная часть удобрений может быть вполне заменена такой водой, в то время как (и об этом мы уже говорили выше), для полноценного роста растений, требуются и другие удобрения, с этим сложно что‑то поделать...

Эксперимент показывает отличные результаты, подтверждающие изначальную мысль, заключающуюся в том, что азот из окружающего воздушного океана вполне может быть использован в качестве удобрений, будучи связанным с применением самодельного плазмотрона — излучателя низкотемпературной плазмы, без необходимости покупки специальных нитратных подпиток для растений.

В среднем, эксперименты разных исследовательских групп показывают, что благодаря плазменному способу, урожайность растений может быть увеличена вплоть до 30%, с одновременным существенным снижением потребности в минеральных (покупных) их формах.

После прочтения всего этого, приходит естественная мысль: а что, если, напрямую, плазменной струёй обрабатывать почву?!

С этим пока есть проблемы, хотя, результат нельзя назвать однозначно негативным — у него есть определённый потенциал: дело в том, что экспериментальным путём учёными было выявлено, что прямая обработка почвы плазмы, требует гораздо больших энергозатрат — скажем, для сравнимых результатов, с повышением урожайности на 30%, при использовании прямой обработки почвы плазмы, требовалась мощность уже в 1–1,5 кВт (против 7 Вт, в способе с поглощением плазмы водой).

Это связано с тем, что плазменная струя должна достаточно глубоко проникать в почву, чтобы естественная влажность почвы успела связать азот из струи.

В противовес этому способу, — первый вариант, с предварительным захватом плазменной струи водой, и последующим поливом ей, является гораздо более энергоэффективным.

К тому же, в этом первом способе, с захватом водой, есть весьма простая возможность организовать обратную связь и постоянный контроль уровня кислотности (ШИМ и датчик кислотности, о которых было написано выше), что очень важно.

Однако, способ с прямой обработкой почвы плазменной струей хорош несколько в другом качестве — для уничтожения сорняков и вредной микрофлоры.

Тем не менее, мы видим, он требует гораздо больше энергии, и, к тому же, при его применении всегда остаётся опасность излишнего повреждения почвы, а также возникают проблемы с точным контролем уровня кислотности.

Таким образом, эксперименты продолжаются, и, учитывая крайнюю простоту способа, дают шанс практически каждому попробовать свои силы в этом направлении.

Нужно только иметь в виду, что соединения азота, в газообразной форме, являются достаточно вредными для сердечной мышцы, поэтому, подобные эксперименты должны проводиться осмысленно, с полным изучением всех опасностей, а также в хорошо вентилируемом месте.