Содержание к диссертации
Введение
Гл. 1. Влияние характеристик системы освещения и светового режима на производительность салатной космической оранжереи 13
1.1 Влияние интенсивности фотосинтетически активной радиации и концентрации СОг на продуктивность посева и длительность товарной вегетации. 14
1.2. Основные подходы к моделированию фотосинтеза посева. Зависимость продуктивности от листового индекса посева. 20
1.3. Зависимость продуктивности посева растений от спектральных характеристик излучения . 28
1.3.1 Основные требования к спектральному составу излучения источников света, применяемых в светокультуре растений 28
1.3.2. Характеристики современных светоизлучающих диодов 31
1.3.3 Конструкции светильников на основе светоизлучающих диодов для космических оранжерей . 39
1.3.4. Результаты вегетационных опытов с использованием светодиодных светильников. 41
1.4. Влияние пространственной организации светового поля на продуктивность
посева растений 43
ГЛ.2. Разработка математической модели фотосинтетической продуктивности самораздвигающихся посевов растений на выпуклых посадочных поверхностях 46
2.1. Задача моделирования уделлыюй продуктивности космической оранжереи и оптимизации эффективности ее работы за счёт характеристик системы освещения 46
2.2. Модель фотосинтетической продуктивности зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее . 51
2.3. Исследование распределения площади фотосинтезирующих листьев по объему посева 54
2.4. Моделирование распределения света в посевах зеленных растений. 57
2.5. Исследование фотосинтетической активности листьев в различных ярусах посева 63
2.6. Особенности моделирования конвейерного цилиндрического посева и идентификация параметров математической модели. 65
ГЛ.З. Разработка и экспериментальная проверка системы освещения на светоизлучающих диодах для цилиндрической конвейерной салатной оранжереи 71
3.1. Оценка влияния эффекта самораздвижения растений на цилиндрической посадочной поверхности на продуктивность конвейерного посева. 71
3.2. Оптимизация параметров системы освещения с использованием разработанной модели. 75
3.3. Описание конструкции опытных образцов конвейерных цилиндрических салатных оранжерей "Фитоцикл-СД" и "Фитоконвейер" с разработанной системой освещения 81
3.4. Испытания разработанной системы освещения. Результаты вегетационных опытов по выращиванию салатных культур в цилиндрических оранжереях со светильниками на светодиодах. 88
Основные результаты и выводы
Список цитированных литературных источников
- Зависимость продуктивности посева растений от спектральных характеристик излучения
- Конструкции светильников на основе светоизлучающих диодов для космических оранжерей
- Модель фотосинтетической продуктивности зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее
- Оптимизация параметров системы освещения с использованием разработанной модели.
Введение к работе
Идея обеспечения жизнедеятельности людей в дальних космических экспедициях с помощью вегетирующих растений разрабатывалась ещё в начале прошлого столетия основоположниками отечественной космонавтики К.Э. Циолковским (1906) и А.Ф. Цандером. (1928) и продолжает оставаться актуальной в настоящее время. С появлением орбитальных станций «Салют» и «Мир» ее развитие получило новый импульс. На борту орбитальных станций стали систематически проводиться эксперименты с растениями.
В 2004 г. США, Россия и ряд других космических держав объявили о своих намерениях осуществить в ближайшем будущем экспедицию на Марс. Тем самым специалисты многих стран перешли от разработки концепций подготовки дальних космических экспедиций и постоянно действующих планетных баз к решению конкретных технических задач и разработке аппаратуры. Много усилий направляется, в частности, па создание биологической компоненты СЖО, основной и неотъемлемой частью которой является звено высших растений. Растения в составе СЖО могут выполнять такие функции как: улучшение рациона питания экипажа, регенерация атмосферы, регенерация воды, утилизация некоторых отходов, психологическая поддержка экипажа. К настоящему времени разработаны и успешно испытаны в космосе десятки образцов вегетационной аппаратуры, применяемой в исследовательских целях (Berkovich, 1996; Scarascia-Mugnozza and Schettini, 2002; Berkovich et al., 2005). Многочисленные эксперименты по выращиванию растений в условиях космического полета позволили сформулировать комплекс требований, предъявляемых к среде обитания растений в космических оранжереях (КО). Практически все известные в настоящее время конструкции КО создавались не с целью обеспечения высокой производительности съедобной биомассы и внесения вклада в пищевой рацион космонавтов, а для проведения научных экспериментов с растениями в хорошо контролируемой среде обитания в условиях космического полёта. Между тем, к производственным космическим оранжереям, предназначенным для производства растительной пищи в составе СЖО, предъявляется ряд дополнительных требований. Производственные КО на борту пилотируемого космического аппарата обязаны постоянно находиться в рабочем состоянии, следовательно, они должны удовлетворяв жёстким ограничениям, предъявляемым к любой подсистеме СЖО. В частности, должны быть минимизированы как потребляемые бортовые ресурсы, такие как масса оборудования, занимаемый объем, мощность энергопотребления, водопотребление, трудозатраты на обслуживание и др., так и выделяемые оранжереей потоки тепла, влаги и отходы. На современном этапе при подготовке к длительным межпланетным экспедициям стала актуальной задача оптимизации конструкции производственной космической оранжереи с целью получения требуемого урожая полезной биомассы при минимальном расходе бортовых ресурсов космической станции. Поскольку единственным пилотируемым космическим аппаратом длительного действия в настоящее время является Международная космическая станция, отработка конструкции перспективных производственных оранжерей для СЖО экипажей должна производится в первую очередь на ней. Однако, до полётных испытаний предстояло выполнить большой объём наземных исследований.
Рассматривая пути экономии таких ресурсов как объем и энергия, разработчики оранжерей довольно давно пришли к идее раздвижения посева по мере роста растений как средства более эффективного использования падающего на растения светового потока (Чучкин, 1967). Предлагался ряд способов раздвижения посева, которые, однако, оказались технически сложными и трудоемкими. В качестве перспективной идеи, позволяющей создать экономичную производственную космическую оранжерею, в ИМБП был предложен способ посадки и выращивания посевов на выпуклых криволинейных поверхностях с использованием внешнего по отношению к посевам и концентрически расположенного светильника такой же формы, что и посадочная поверхность. Как показали опыты по выращиванию растений на советских космических станциях, при отсутствии силы тяжести побеги стеблевых растений в посеве ориентируются вдоль нормалей к посадочной поверхности за счет фототропических реакций (Машинский и др., 1988; Ivanova et al., 1992; Berkovich et al, 1997c). Это позволяет сформировать в условиях невесомости принципиально новую самораздвигающуюся структуру посева на криволинейных посадочных поверхностях. Направления стеблей растений в таких посевах являются расходящимися, т.е. расстояния между верхушками растений по мере их роста увеличиваются. В таких посевах, уменьшается взаимное затенение листьев и улучшается светораспределение внутри растительного слоя. Принимая во внимание этот эффект, был предложен ряд принципиально новых компоновок оранжерей для условий микрогравитации сферической посадочной поверхностью (Беркович и др., 19796; Беркович и др., 1982а; Беркович и др., 19826), цилиндрической (Беркович и др., 1979а; Беркович и Павловский, 1997) и тороидальной (Беркович и др., 1990). Были созданы наземные экспериментальные образцы оранжерей с цилиндрической посадочной поверхностью и вегетационной камерой в виде спирального цилиндра. В наземных опытах была отработана технология выращивания листовых салатных культур в этих оранжереях. (Berkovich et al., 1997; Berkovich et al., 2000; Berkovich et al., 2001; Berkovich et al., 2003; Berkovich et al., 2004a; Berkovich et al., 2004b).).
В 2001 г. в результате анализа ресурсов на борту Российского сегмента МКС, проведенного в отделе СЖО РКК "Энергия", была подтверждена возможность размещения производственной салатной оранжереи на борту МКС и определено, что мощность выделяемого на нее энергопотребления, в ближайшие годы сможет составлять величину не более 0,25 кВт. С учетом этой оценки в 2002 г. в рамках финансируемого Меисдународным научно-техническим центром (МНТЦ) Проекта №2137 была поставлена задача создания прототипа конвейерной производственной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер" с приемлемым на сегодня для Российского сегмента МКС энергопотреблением в 0,25 кВт, при котором номинальная производительность салатной зелени составила бы не менее 40 грамм съедобной салатной биомассы в сутки. В качестве необходимого этапа отработки технологии выращивания растений на МКС запланирован эксперимент с космической конвейерной оранжереей "Витацикл Т", включённый в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС" (версия 1999 года).
При разработке прототипа полетной цилиндрической оранжереи и возникли задачи, решение которых легло в основу данной работы. Необходимо было оптимизировать конструкцию вегетационной установки по критерию максимума производительности, отнесенной к основным затраченным ресурсам: электроэнергии, объёму и времени вегетации, а также обосновать научные рекомендации по выбору режима освещения для посевов растений в вегетационных установках с учетом появления новых источников света для светокультуры растений - светоизлучающих диодов. Известно, что основным потребителем электроэнергии в оранжереях является система освещения растений. На ее долю обычно приходится до 60-70% всего энергопотребления (Clawson et al., 1999, Cuello et al., 2001, Morrow et al, 2005) .Вследствие этого, эффективность работы производственной космической оранжереи в значительной степени определяется техническими характеристиками её светильника, что и делает актуальной работу по оптимизации его характеристик в условиях жесткого ограничения по энергопотреблению.
Интенсивные исследования и разработки по применению светоизлучающих диодов (СД) высокой интенсивности в светокультуре растений ведутся с начала 1990-х годов в ряде лабораторий мира. Основные преимущества этих полупроводниковых генераторов света состоит в следующем:
• повышенная безопасность вследствие отсутствия деталей из стекла и узлов, работающих при высокой температуре; • большая светоотдача ( ППФ до 1000 мкмоль м-2-c-l и выше);
• отсутствие в спектре излучения инфракрасной составляющей;
• относительно малые объем и масса;
• возможность плавной регулировки яркости от 0 до максимального значения, при этом каждая спектральная составляющая может регулироваться отдельно;
• высокий ресурс работы при незначительной деградации;
• высокая световая эффективность,
• механическая прочность.
Перечисленные свойства СД делает их весьма перспективными для применения в космических оранжереях. Вследствие этого в прототипе космической конвейерной производственной оранжереи впервые для российских разработок предложено использовать светильник на основе светоизлучающих диодов.
Другой задачей работы являлась расчетная и экспериментальная оценки в наземных условиях производительности и эффективности вегетационной установки с конвейерным самораздвигающимся посевом пекинской капусты. Биологическая продуктивность посева определяется интенсивностью процессов фотосинтеза и дыхания растений. Одним из основных факторов, влияющих на интенсивность фотосинтеза посевов зеленных растений, является световой режим. Установление количественной зависимости продуктивности посева от характеристик светового поля, создаваемого светильником для освещения посева в ростовой камере, дает возможность наиболее полно интерпретировать результаты проводимых вегетационных опытов с растениями, а также позволяет в ряде случаев предсказать, как скажется изменение параметров установки на продуктивности посева. Наличие таких данных позволяет также оптимизировать конструкцию вегетационной камеры и светильника.
Нам также представлялось важным провести углублённый количественный анализ различий между самораздвигающимися посевами на выпуклых посадочных поверхностях и традиционными плоскими посевами и оценить потенциальные преимущества, которые может дать эффект самораздвижения в повышении удельной продуктивности оранжереи.
Для решения указанных задач была разработана компьютерная модель продуктивности посевов, выращиваемых на выпуклых посадочных поверхностях и реализующая ее программа в среде программирования MATLAB v. 6.5.
Компьютерная модель была использована при разработке прототипов вегетационных установок с самораздвигающимися посевами и светильниками на основе светоизлучающих диодов: «Фитоцикл СД» и «Фитоконвейер», моделирования их потенциальной продуктивности и анализа их эффективности. Были проведены многочисленные опыты по выращиванию посевов Пекинской капусты в установке «Фитоцикл СД». Данные вегетационных опытов совместно с расчетами позволяют сделать вывод о высокой эффективности полетного прототипа вегетационного комплекса «Фитоконвейер». Таким образом, работы по теме данной диссертации явились новым и необходимым этапом разработки производственной космической оранжереи для СЖО космических экипажей.
Цель исследования: разработка методики оптимизации системы освещения растений для конвейерной цилиндрической салатной оранжереи как компонента СЖО пилотируемых космических кораблей и оптимизация режимов освещения прототипов космических оранжерей «Фитоцикл СД» и «Фитоконвейер»..
Основные задачи, которые были поставлены и решены для достижения указанной цели:
1. Анализ характеристик искусственных источников света и их влияния на рост и развитие растений; обоснование выбора источников света для конвейерной цилиндрической салатной космической оранжереи.
2. Разработка математической модели продукционного процесса в самораздвигающихся посевах на выпуклой цилиндрической посадочной поверхности и создание на ее основе компьютерной программы, позволяющей моделировать результаты вегетационных опытов и оптимизировать конструкцию и режим работы блока освещения.
3. Разработка блоков освещения на светодиодах для прототипов цилиндрических космических оранжерей «Фитоцикл СД» и «Фитоконвейер» и оптимизация светового режима конвейерной цилиндрической салатной космической оранжереи с использованием разработанной модели.
4. Апробация разработанных светодиодных светильников в вегетационных экспериментах в наземных прототипах конвейерной цилиндрической салатной космической оранжереи..
Методы исследований
Разработка модели продукционного процесса в самораздвигающихся посевах на выпуклой цилиндрической посадочной поверхности основывалась на данных теории фотосинтетической продуктивности растений и на результатах вегетационных опытов, проведенных в нашей лаборатории ранее, а также выполненных автором в процессе диссертационной работы. Все параметры модели были либо получены из непосредственных измерений, либо определены путем аппроксимации экспериментальных данных. Результаты моделирования также были многократно проверены путем измерений в опытах с растениями. При выполнении работы было проведено около 20 вегетации пекинской капусты общей продолжительностью 500 дней. Конструктивные решения отрабатывались экспериментально на физических лабораторных моделях.
Научная новизна работы:
? впервые разработана математическая модель продукционного процесса для конвейерных самораздвигающихся посевов растений на выпуклой цилиндрической посадочной поверхности ;
? впервые разработаны и успешно испытаны 2 модели цилиндрического светильника на основе светодиодов для конвейерных цилиндрических салатных оранжерей "Фитоцикл СД" и "Фитоконвейер";
? впервые обоснованы оптимальные параметры системы освещения для прототипа конвейерной цилиндрической салатной космической оранжереи ;
? впервые найдены количественные оценки влияния концентрации светового потока и самораздвижения растений на цилиндрической посадочной поверхности на продуктивность посева и удельную его продуктивность на затраченные для выращивания ресурсы;
? впервые получены экспериментальные данные о влиянии параметров светового режима на удельную продуктивность конвейерной цилиндрической оранжереи «Фитоцикл СД».
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. модель фотосинтетической продуктивности самораздвигающихся посевов зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее. На основе модели создана методика оптимизации светового режима в оранжереях такого типа с учетом ограничений на потребляемые ресурсы и производительность установки
2. реализация модели в виде комплекса компьютерных программ в операционной среде MATLAB 6.5. позволяющего рассчитывать зависимости абсолютной к удельной продуктивности оранжереи от конструктивных параметров и режимов культивирования в области интенсивностей освещения от 90 до 350 мкмоль м- -с- .
3. оптимизация светового режима для прототипа конвейерной цилиндрической салатной космической оранжереи «Фитоконвейер». 4. рекомендации для проектирования блока освещения аппаратуры «Витацикл Т» для проведения одноименного космического эксперимента на Российском сегменте МКС.
5. количественная оценка повышения абсолютной и удельной продуктивности за счет фактора самораздвижения растений на выпуклой цилиндрической посадочной поверхности.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Компьютерная программа, созданная на основе математической модели фотопродуктивности посевов, позволила сократилть в 6-7 раз число предварительных вегетационных опытов для оптимизации конструкции и режима работы оранжереи.
Созданы блоки освещения для наземных прототипов конвейерных оранжерей «Фитоцикл СД» и «Фитокопвейер», использующихся при выполнении НИР лаборатории.
Получены оценки влияния самораздвижения растений на цилиндрической посадочной поверхности на продуктивность и удельную продуктивность посева, которые позволили получить исходные данные для конструкции системы освещения в установке "Витацикл-Т"; техническое задание на проведения космического эксперимента с этой установкой включено в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте Международной космической станции" и согласовано с представителями РКК "Энергия".
Апробация работы. Результаты и положения, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях :
1. Presentation 2005-01-2842 at The 35th International Conference on Environmental Systems and 8l European Symposium on Space Environmental Control Systems, Rome, Italy. 11-14 July 2005.
2. Presentation 2004-01-2434 at The 34th International Conference on Environmental Systems, Colorado Springs, USA. 19-22 July 2004.
3. Presentation F4.2-0007-04 at The 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France. 18-25 July 2004.
4. Доклад на конференции «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям», Москва, 3-5 ноября 2003 г. 5. Доклад на Четвертом Международном Аэрокосмическом Конгрессе, Москва, 18-23 августа 2003 г.
6. Доклад на Международной конференции «Системы и технологии будущего изучения и освоения космического пространства», Москва, 9-11 июня 2003 г.
7. Доклад на 12-ой Всероссийской школе «Экология и почвы», Пущино, 2003 г.
Публикации. Результаты и положения диссертации изложены в 4 статьях и одной монографии.
Реализация полученных результатов. Результаты работы внедрены в ГНЦ РФ -ИМБП РАН и НИИ Импульсной техники Минатома РФ при создании конструкций экспериментальных образцов конвейерных оранжерей "ФИТАЦИКЛ-СД" и "ФИТОКОНВЕЙЕР" в рамках Проекта №2137 Международного научно-технического центра, а также в ФГУП НИИ Космического приборостроения Роскосмоса при разработке Технического задания на аппаратуру для космического эксперимента "ВИТАЦИКЛ-Т" на российском сегменте МКС.
Объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, основных результатов и выводов, приложения и содержит 115 стр., включает 16 таблиц, 44 рисунков; список литературы включает 63 наименований.
Зависимость продуктивности посева растений от спектральных характеристик излучения
Эксперименты показали, что световые кванты из диапазона ФАР неодинаково эффективны для инициирования фотосинтеза в хлоропластах листа. Количество фотосинтетических реакций (или ассимилированных атомов С, или выделенных листом молекул Ог) приходящихся на I квант света, попадающий на лист, принято называть квантовой фотсинтететической эффективностью света или квантовым выходом фотосинтеза (Тихомиров. 2000). Па рис.1.9 приведен график относительной квантовой фотсинтететической эффективности света, взятый из работы (Sager. 1997 ). Как справедливо отмечает проф. Л.Л.Тихомиров (Тихомиров 2002). вряд ли можно рассматривать такую зависимость как количетвенно точную и универсальную. Ввиду того, что растения обладаю! способностью в широких пределах адаптироваться к условиям выращивания, спектральная зависимость квантовой фотосинтетической эффективности может несколько отличаться у растений, выросших под источниками с разными спектрами излучения и при разной освещенности. Используя приведенную зависимость для сравнения источников излучения с существенно разными спектрами, ее скорее надо рассматривать как качественную. Она пзволяет сделать вывод, что максимальной эффективностью для фотосинтеза обладает красный свет в диапазоне длин волн 630-:-690 им.
Для искусственного освещения растений в настоящее время используются, в основном, следующие источники света: люминесцентные (флуоресцентные) газоразрядные лампы с различными люминофорами; галогенные и металлогалогеиные лампы; натриевые и ртутные лампы высокого давления; микроволновые лампы; светоизлучающие диоды высокой интенсивности. Перечислим основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе источников искусственного освещения для салатной оранжереи космического назначения. Излучение должно обладать высокой фотосинтетической активностью. Спектральный состав света должен обеспечивать получение здоровых растений с полноценной по составу биомассой. Источник освещения должен иметь высокий КПД и длительный ресурс работы. Нежелательно наличие в спектре излучения значительной составляющей вне диапазона ФАР (350+700 им), например инфракрасной или ультрафиолетовой, которые приводят к потерям энергии и снижают эффективность источника света.
Согласно работе (Тихомиров и др., 2000), для оценки источников света в светокультуре растений пользуются такими интегральными характеристиками как: энергетический КПД лампы, Еэ, - отношение суммарной мощности ФАР, излучаемой лампой (в Вт), к мощности потребляемой ею электроэнергии (в Вт); фотосинтетическая спектральная эффективность, Ее, - доля потока илучения в области ФАР, участвующая в процессе фотосинтеза.
Отметим, что но энергетическому КПД красные светодподы находятся на уровне дуговых натриевых ламп, превосходя лампы БФЛ. Красные светодподы имеют наилучший показатель фотосинтетической спектральной эффективности, т.к. практически все излучение красного светодпода находится в области максимальной квантовой эффективности фотосинтеза.
Рассмотрим далее требования к спектру излучения источника света с точки зрения его фоторегуляторной функции. Свет участвует в регуляции таких важнейших процессов как прорастание семян растении; рост растения и его морфогенез (сотпошенис размеров различных органов, площадь и толщина листьев и т.д.); прохождение онтогенетических фаз; изменение метоболизма и состава биомассы; накопление ферментов и их активность; фототропизм и др.
Принято считать, что фоторегуляция осуществляется через фоторецепторы или специальные пигменты. В отличии от фотосинтеза, интенсивность которого в широких пределах пропорциональна интенсивности света, зависимость большинства фоторегуляторных процессов от интенсивности света имеет пороговый характер. Для осуществления процесса регуляции необходимо превышение порогового значення потоком квантов в соответствующем спектральном диапазоне, после чего процесс не зависит или слабо зависит от интенсивности света (Тихомиров, 2002). Детально механизмы регуляции многих процессов жизнедеятельности растения и связь их со спектральным составом света в настоящее время еще не установлены. Известно лишь, что часть регуляторпых функций (изменение метаболизма, накопление ферментов и их активность, фотоморфогенез и др.) осуществляется через пигмент-фоторецептор белковой природы - фитохром. Эти процессы активируются или подавляются в зависимости от соотношения в спектре света потоков излучения в области длин волн 660 и 730 им., которые взаимодействуют с двумя формами фитохрома. Достоверно установлено также наличие высокоэнсргстической фоторегуляции, осуществляемой излучением синего цвета из диапазона длин волн 400 - 480 им. Таким образом, спектр излучения для светильника необходимо тщательно подбирать при проектировании космических оранжерей различного назначения..
Характеристики современных светоизлучающих диодов Рассмотрим более подробно технические характеристики .современных светоизлучающих диодов (светодиодов). Светодиод (СД) - это полупроводниковый прибор с р-n переходом, который излучает фотоны при прохождении через него электрического тока в прямом направлении. Эффект излучения света называется инжектированной электролюминесценцией и происходит за счет рекомбинации неосновных носителей заряда. Свегодиоды обладают выской яркостью (тысячи кд/м ) и силой света (до десятков сотен кд), а также внешним квантовым выходом до 50%. Длина волны излучаемого света определяется, в основном, выбором используемых полупроводниковых материалов.
До сих пор наиболее широко распространены и дёшевы светодиоды первого поколения с диамеїром линзы 5 мм. Типичный пример конструкции 5-тимиллиметрового свегодиода приведен на рис. 1.10.
Конструкции светильников на основе светоизлучающих диодов для космических оранжерей
Опишем ряд известных конструкций светильников на основе светоизлучающих диодов, разработанных для космических оранжерей. Одной из последних разработок в этой области является светодиодный светильник для оранжереи VEGGIE, представлений компанией Orbital Technologies Corporation (ORB1TEC) (Emmerich J.С ct al., 2004). Основой светильников является ячейка размером 2.5x2.5 см., несущая 132 свстодиода с разными длинами волн. Поверхностная плотность размещения светодиодов составляет 21 диод на см . Состав светодиодов в ячейке может быть различным. В качестве основного компонента (64 шт.) использовались высокоэффективные красные диоды с .=640 им. Световой выход этих диодов (в Вт ) составляет 22% от электрической мощности питания, что превышает энергетическую эффективность люминесцентных ламп. Такие СД также обладают высокой стабильностью излучения. При испытаниях в течении 10000 часов непрерывной работы в режиме выше номинального тока не было отмечено деградации светового выхода. В варианте светильника для исследовательской оранжереи в ячейках размещались светодиоды, излучающие дополнительные спектральные компоненты. Коротковолновое излучение представлено ультрафиолетовыми диодами с =400 им. и синими с .=440 им. В длинноволновой области спектра использованы диоды с .=660 им и v=730 им. Предполагается, что дополнительные спектральные компоненты обладают регуляторным действием и обеспечивают нормальный морфогенез растений. Ячейки комплектуются также небольшим количеством зеленых светодиодов с =540 им, в основном, для нормального цветового восприятия растений при наблюдении и фотографировании. В производственной оранжерее из дополнительных спектральных компонент в светильнике были оставлены только и=440 им. и составляющая зеленого света с Я=540 им низкой интенсивности. Светильник оранжереи был выполнен в виде плоской матрицы площадью 0,17 м2, с толщиной 2 см, включавшей 91 описанную выше ячейку. При измерениях 1111Ф па расстоянии 5 см над посадочной поверхностью были реализованы следующие диапазоны регулирования ППФ для спектральных компонент: для СД с .=640 нм (красный) - от 0 до 300 мкмоль м -с : для СД с Х=440 нм (синий) - от 0 до 50 мкмоль м -с"1 : для СД с Х.=540 нм (зеленый) - от 0 до 30 мкмоль м"2с" . Разброс ГТПФ по площади оставался в пределах ±10% от среднего значения. Па рис. 1.17 (Emmerich J.C. et al. 2004) показана зависимость ППФ. создаваемого одной ячейкой светильника, от потребляемой ей электрической мощности (для основной спектральной компоненты с =640 нм). Видно, что эффективность начинает заметно падать при W больше 2.8 Вт. что соответствует току 20ма. С точки зрения эффективности оптимально получать заданный уровень ППФ за счет большой плотности размещения светодиодов работающих при токе не выше 10 20ма. Такое решение оптимально и с точки зрения надежности системы. Рабочий ток красных светодиодов в оранжерее VEGGIE около 7 ма. При таком токе среднее время наработки на отказ для ячейки оценено авторами в 500000 часов.
Существенное значение для уменьшения потерь света и создания более равномерного светового поля в объеме ростовой камеры имеет материал покрытия стенок ростовой камеры. По реультатам работы (Emmerich J.C. et al.. 2004) наилучшие результаты дают гладкое и рифленое зеркальные покрытия. Освещенность на расстоянии 40 см от светильника в камере с зеркальным покрытием стен почти в 2 раза выше, чем в камере с белым незеркальным покрытием.
Эффективность традиционных ламп и светодиодных источников света для светокультуры различных сортов растений сравнивалась в работах ряда авторов. Рассмотрим работы, которые могут иметь отношение к космическим оранжереям. КПД ДПаТ и красных свстоднодои выше, чем у других рассматриваемых источников света. Однако, в их спектре мало синей составляющей (400-500 им), что может отрицательно сказываться на развитии некоторых видов растении (соя, шпинат и др). У ряда растений усиливается рост стебля, вытягиваются листья и пшокотиль при прорастании семян (Heathcote et al., 1996; Wheeler et al., 1991; Britz&Sager, 1990; Tibbils et al., 1983;), может уменьшаться фотосинтез и, в конечном счете, урожайность. Добавление к красным свстодиодам или ДНаТ излучения синих люминесцентных ламп с интенсивностью иногда всего лишь от 1% до 10% от общего потока фотонов оказывало положительный эффект: Растения под действием такого излучения развивались так же, как и под белыми флюоресцентными пли микроволновыми лампами (Coins, 2002; Goins et al., 2001; Goins&Yorio, 2000; Goins et al., 1997).
Появление около 10 лет назад нового типа синих светодиов (InGaN) с высоким световым выходом вызвало серию исследований по проверке их применимости для синей подсветки растений дополнительно к основному массиву красных евстодиодов. По результатам предварительных опытов была рекомендована интенсивность подсветки на уровне 10% от интенсивности основной красной составляющей по ППФ. В эксперименте, описанном в работе (Goins&Yorio, 2000), сравнивалась эффективность выращивания шпината {Spinacca oleracca) при освещении посева лампами ДНаТ, ЕФЛ, микроволновыми лампами и красными светодиодами с длиной волны со значениями максимума в спектре излучения в области 660, 670, 680 и 690 им с 10% (по энергии) подсветкой синими светодиодами с длиной волны 470 им. Все источники света выравнивались по ППФ в области ФАР па уровне 250 мкмольм"2-с .В таблице 1.4. приведены значения ППФ в мкмоль-м 2-с , измеренные на расстоянии 25 см от этих источников света (микроволновые лампы - на расстоянии 50 см.). Лампы ДПаТ были экранированы от растений фильтром из плексигласа со слоем воды.
Модель фотосинтетической продуктивности зеленных растений в конвейерной цилиндрической оранжерее
В данном разделе описано построение модели фотосинтетической продуктивности конвейерного посева в цилиндрической оранжерее типа «Фитоцикл СД». Мы рассматриваем конвейерный посев растений, состоящий из N разновозрастных посевов, о каждом из которых будем говорить как о шаге конвейера и нумеровать от 1 до N в порядке увеличения возраста. Через время Т, называемое продолжительностью шага конвейера, посев старшего возраста с N ого шага конвейера убирается, все остальные шаги перемещаются на следующий по ходу шаг, а на первом шаге сажается новый посев. Продолжительность вегетации растений в конвейерном посеве равна NT Поперечное сечение ростовой камеры оранжереи и размещение в ней посевов, или шагов растительного конвейера, показаны схематично на рис.2.1.
Наружный кожух ростовой камеры имеет форму спирального цилиндра, соосного с цилиндрическим блоком корневых модулей. Форма направляющей спирали в поперечном сечении вегетационной камеры отражает усреднённую кривую роста культивируемых растений в процессе вегетации. Светящие панели со светодиодами распределены на внутренней поверхности спирального кожуха вегетационной камеры. В поперечном сечении каждый из N шагов конвейера занимает пространство внутри угла 2л/Ы, ограниченное изнутри поверхностью корневых модулей, а снаружи - поверхностью спирального светильника вегетационной камеры.
Рассмотрим составляющую конвейерного посева с номером і (l i N). Обозначим через Mj - сухую биомассу этого посева к моменту ІТ, т.е. в конце і-того шага, а через ДМ, - прирост к сухой биомассы на і-том шаге конвейера. Можно записать: Мк =V AM, , и в частности, для N сухой биомассы снимаемого урожая: Мд,= АМ, . Моделирование продуктивности 1=1 конвейерного посева сводится, таким образом, к расчету величин AM, для i-l,2...N. На первых шагах конвейера происходит прорастание семян, начальное формирование структуры растений и фотосинтетического аппарата листьев, но площадь листьев растений мала, поэтому эти посевы не являются "сомкнутыми", что не позволяет для описания их продуктивности модель "большого листа". Накопление биомассы на первых 4-5 шагах конвейера незначительно, оно составляет примерно 2-6% от биомассы урожая и не вносит, таким образом, заметного вклада в оценки урожая конвейерного посева. Вследствие этого рост конвейерного посева моделируем, начиная с 12-15 дня после посадки (или с 5-6 шага при 10 шаговом конвейерном посеве). При этом в выражении для М выделим два слагаемых: MN=MNo + fjAMi (2.10)
В соответствии с введенными выше обозначениями, первое слагаемое - биомасса, накопленная на первых No шагах. От этого начального значения моделируется дальнейший рост посева, описываемый вторым слагаемым в (2.10). Зависимость MN от интенсивности освещения 1с целесообразно описывать эмпирической формулой: M /z-expOr/o), (2.11) где цих постоянные величины, определяемые по результатам опытов. Для посевов пекинской капусты в возрасте 15 дней (это соответствует 5 шагам с длительностью 3 суток каждый или 6 шагам - с длительностью 2,5 суток) измерения дают значения ц=12-И8 г, х О.ОО 16- 0.0020 мкмоль"1.
Обратимся теперь к вычислению величин ДМ,. Согласно уравнению (1.1) скорость, с которой в данный момент увеличивается биомасса посева, пропорциональна видимому фотосинтезу посева F. Интегрируя уравнение (1.1), можно записать: IT АМ,=у JFrdT = yT-Fl (2.12) (,-1)7 Здесь Ft среднее значение функции Ft на интервале интегрирования. Изменение скорости фотосинтеза на протяжении шага конвейера можно приближенно считать линейным (при N 10), в этом случае средним будет значение функции в средней точке интервала.
При описании морфологических характеристик посева и взаимодействия оптического излучения с посевом мы придерживались классической модели «большого листа», описанной, например, в (Charles-Edwards, 1998). При построении модели продуктивности посева растений в цилиндрической оранжерее мы использовали следующие основные предположения: 1) листовая масса посева занимает всё пространство между двумя коаксиальными цилиндрами: внутренним - посадочным цилиндром и внешним - поверхностью посева. При этом, плотность распределения листовой поверхности аксиально симметрична и не зависит от координаты вдоль оси цилиндров; 2) скорость фотосинтеза в любом объеме посева пропорциональна заключенной в этом объеме суммарной площади листовой поверхности; 3) цилиндрический светильник над посевом состоит из большого числа равномерно распределённых по поверхности светоизлучающих диодов, которые по длине волны излучения разделяются на два типа - красные и синие.
Оптимизация параметров системы освещения с использованием разработанной модели.
В ходе экспериментов с листовой горчицей и пекинской капустой было установлено, что при скоростях вращения 4- 11 об/ч побеги растут вдоль нормалей к цилиндрической посадочной поверхности без заметных периодических изгибов, вызываемых реакциями гравитропизма.
Для оранжереи "Фитоцикл СД" был разработан спиральный цилиндрический светильник на основе светодиодов. Светильник оранжереи "Фитоцикл СД" состоит из 15 плоских панелей со светодиодами размерами 595 мм х 80 мм, установленными на внутренней поверхности наружного спирального цилиндрического кожуха вегетационной камеры. Длина наружной образующей спиральной цилиндрической ВК салатной оранжереи составляет 620 мм, а длина спирали в поперечном сечении ВК на уровне световых панелей -1700 мм. Панели были смонтированы на расстоянии 40 мм от поверхности кожуха. На каждой из 12 панелей размещены 438 красных и 88 синих светодиода. На трех панелях, соответствующих начальным шагам конвейера с малым листовым индексом посева, были расположены 396 красных и 44 синих светодиода. В светильнике использовали 5-мм красные светодиоды L1345SRC/E (фирма Kingbright) с длиной волны X = 660 нм и синие светодиоды типа ОРТ - Р470 - 60 (фирма OPTOLOCO) с X = 470 нм. Суммарная освещаемая площадь посева на уровне верхушек побегов составляет около 0,86 м . Блок управления позволяет раздельно включать системы красных и синих светодиодов, а также регулировать для них рабочие токи в пределах от 10 до 35 мА. Измеренная на расстоянии 4 см от источников света суммарная плотность -у 1 потока фотосинтетически активных фотонов составила 350±45 мкмоль-м -с при токах 25 мА и 23 мА на красных и синих светодиодах, соответственно. Электрическая мощность, потребляемая светильником в этом режиме, составила 385 Вт, из которых 285 Вт приходится на красные светодиоды и 95 Вт - на синие.
При работе оранжереи "Фитоцикл СД" возможны внештатные ситуации при которых капли слабосолевого питательного раствора могут попасть на платы светильника. Поэтому особое внимание было уделено гидроизоляции светодиодных плат. В установке напряжение питания светильника составляло 135 В. При попадании питательного раствора наблюдалось сильное повреждение поверхности плат и электрических схем за счет электролитических реакций.
Внутри блока освещения оранжереи "Фитоцикл-СД" был установлен датчик температуры, автоматически отключающий освещение при нагреве блока до температуры, превышающей 36 С. Электрический жгут для питания блока имел запас длины и наматывался на специальную катушку кожуха при вращении блока. Вращение оранжереи и включение реверса происходят по сигналам концевых выключателей, размещенных на кронштейнах силовой рамы, каждый из которых был продублирован концевыми выключателями аварийного выключения вращения вегетационной камеры.
Установка «Фитоконвейер» была спроектирована и построена для выращивания "самораздвигающихся" конвейерных посевов зеленных растений применительно к условиям космического полёта на МКС. Основным отличием ее от описанной в предыдущем разделе установки «Фитоцикл СД» является система увлажнения и аэрации, способная работать в условиях невесомости. Общий вид установки представлен на рис. 3.12.
Оранжерея включает в себя: ростовую камеру (РК); блок корневых модулей (БКМ) с посадочными устройствами (ПУ); блок освещения (БО); блок увлажнения и аэрации почвозаменителя (БУА); систему контроля и управления (СКУ); силовую раму с приводом для реверсивного вращения в наземных условиях.
Блок корневых модулей и блок освещения смонтированы внутри ростовой камеры, а блок увлажнения и аэрации субстрата и система контроля и управления выполнены в виде отдельных выносных блоков, соединённых с ростовой камерой электрическими кабелями и гибкими трубопроводами с байонетными разъёмами.
Основные технические характеристики оранжереи «Фитоконвейер» приведены в таблице 3.2. Силовая рама используется при наземной эксплуатации для снижения влияния гравитропического изгиба побегов растений. Ростовая камера вместе с блоком корневых модулей непрерывно и реверсивно вращается на ±360 вокруг горизонтальной оси со скоростью 1-2 оборота в час. В условиях невесомости гравитропические реакции растений отсутствуют, поэтому потребность в реверсивном вращении ростовой камеры отпадает. Поперечное сечение ростовой камеры оранжереи и размещение в ней растений показаны схематично были показаны на рис. 2.1. Наружный кожух ростовой камеры (7) имеет форму спирального цилиндра, соосного с цилиндрическим блоком корневых модулей и установленного в опорах силовой рамы с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Форма направляющей спирали в поперечном сечении вегетационной камеры отражает усреднённую кривую роста культивируемых растений в процессе вегетации. На одном конце этой оси установлена шестерня с цепной передачей к приводу вращения ростовой камеры, установленному на силовой раме. На другом конце оси смонтирован жидкостной распределитель с шаговым приводом, поочерёдно подключающим по определённой программе водные магистрали от БУА к каждому из корневых модулей (1). В качестве источников излучения использованы полупроводниковые светодиоды двух типов - красные, излучающие в узкой спектральной полосе вблизи длины волны 660 нм, и синие с излучением вблизи длины волны 465 нм. Светодиоды смонтированы на 14 плоских светящих панелях (4) размером 220x85 мм. На каждой панели размещено 240 красных и 28 синих светодиодов
