«Умная» теплица для Арктики и не только

Ученые Томского политеха работают над созданием и строительством инновационного автономного тепличного полигона.

Исследователями Томского политехнического университета реализуется масштабный междисциплинарный проект по разработке и строительству инновационного автономного тепличного полигона, для функционирования которого будут применяться передовые технологии ученых вуза: фитотроны, керамические излучатели, спектроскопические исследования, автоматизированные системы управления и другие. Если «умная» теплица докажет свою эффективность, опыт политехников может быть использован в регионах с экстремальными погодными условиями, допустим, в Арктике. Проект научного коллектива в этом году был поддержан грантом из средств Программы повышения конкурентоспособности ТПУ. О его реализации корреспонденту газеты «За кадры» рассказал руководитель проекта, ассистент отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Дамир Валиев.

Коллективная работа

Проект «Разработка инновационного ресурсоэффективного исследовательского блочно-модульного тепличного полигона с применением цифровых технологий и робототехники, в том числе для использования в условиях Арктики» рассчитан на год. Работа над ним уже начата. По словам Дамира Валиева, в исследовании принимают участие сразу четыре группы ученых.

Первая из них занимается оптическим материаловедением, ее задача – исследовать процессы, связанные с преобразованием излучения в видимое, чтобы адаптировать искусственное освещение под эффективное управление метаболизмом растений. Этим занимаются сотрудники отделения материаловедения. Они же отвечают за исследовательскую часть проекта.

– Современный тренд в направлении «умных» теплиц – применение полупроводниковых излучателей и люминофоров с допантами. Однако перспективными с позиции светотехнической инженерии являются поликристаллические люминесцентные материалы. Их преимущества обусловлены более высокой эффективностью преобразования УФ-излучения в видимое, высокими тепловыми характеристиками, обеспечивающими длительный срок службы твердотельных источников света. Системы на основе данных технологий могут быть очень эффективными сместителями спектра, они по целому ряду параметров могут оказаться перспективными для применения в агросекторе. Насколько я знаю, научных работ, посвященных влиянию керамических преобразователей на биообъекты, пока нет. Поэтому на полигоне мы будем проводить подобные исследования, подбирать соотношения компонентов спектрального состава для возможного управления воздействием на биообъекты, – говорит Дамир Валиев.

Вторая научная группа под руководством профессора Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Евгении Шеремет занимается задачами, связанными с методами экспресс-оценки состояния растений.

– Можно сказать, что их задача – изучить “обратную связь” от растений в созданных для роста условиях. Оптические методы отличаются информативностью и простотой использования. В частности, рамановская спектроскопия дает полный колебательный спектр, который позволяет оценить насыщенность жиров, природу углеводородов и другие параметры растительных клеток, – уточняет руководитель проекта.

Третья группа работает над созданием уникальных, осветительных установок – фитотронов, занимается подбором оптимального спектрального состава света с учетом биологических особенностей вида и сорта растений. Такие исследования необходимы для эффективного управления морфогенезом растений. В научную группу входят специалисты отделения материаловедения. Четвертая группа занимается теплоэнергетикой и роботизацией. Сотрудники отделения автоматизации и робототехники Инженерной школы информационных технологий и робототехники будут отвечать за работу автоматических систем полигона и экспериментальное использование робототехники.

300 «квадратов» инноваций

Место для размещения будущего тепличного полигона уже определено – это будет площадка возле 11-го корпуса (пр. Ленина, 2, стр. 4). Строительно-монтажные работы планируется начать в июне. Теплица будет состоять из стального каркаса, обшитого со всех сторон двойным слоем антикоррозионной пленки с достаточно высоким уровнем прозрачности для обеспечения естественного освещения. Причем между слоями пленки будет воздушная подушка промежутком примерно в 15 сантиметров – она поможет обеспечить устойчивость конструкции и поддерживать тепловой баланс в теплице. Общая площадь исследовательского комплекса – порядка 300 квадратных метров. Каркас и все составляющие теплицы учеными уже получены. Кроме того у ученых уже есть большой объем исследовательской базы по влиянию использования фитооблучателей на рост различных культур растений: салата, клубники, огурцов, микрозелени, базилика, свеклы. Уже разработаны и синтезированы опытные образцы керамических люминесцентных преобразователей.

– Полигон будет разбит условно на три секции. Порядка 50% площади будут занимать посадки (для начала мы планируем выращивать там огурцы). Затем исследовательский блок, где будут отрабатываться режимы излучения для роста растений. Там планируем начать с выращивания салата и микрозелени – она достаточно популярна, полезна, обладает интересными вкусовыми характеристиками и достаточно неприхотлива.

В этом блоке будет проводиться фундаментальная часть исследований. Кроме того, там же будут тестироваться роботизированная система и режимы облучения. Пока идея такая: разработать некую роботизированную платформу, которая будет заниматься расстановкой горшочков с растениями, с последующим сбором и складированием. Возможно, получится использовать квадрокоптер для реализации процесса опыления, который необходим, например, для выращивания клубники. Сейчас прорабатываем возможные варианты. Третий блок будет отдан под хозяйственную часть, – поясняет Дамир Валиев.

По замыслу политехников, полигон фактически не будет зависеть от внешних факторов: искусственное освещение обеспечит наилучший для роста режим, в теплице круглый год планируется поддерживать оптимальную температуру. Также на полигоне будет установлена гидропонная система, подразумевающая отсутствие почвы и питание корневой зоны растений с использованием специальных растворов с определенными микроэлементами. Полив будет осуществляться капиллярным методом. Управление системами теплицы будет автоматизированным.

Томск – старт, а дальше – Арктика

Члены научного проекта уверены в его успешной реализации. Залогом этой уверенности служит его уникальный междисциплинарный характер. Получается, что на одной площадке можно будет проводить исследования в нескольких научных областях.

– По сути, этот полигон может стать центром проведения междисциплинарных фундаментальных и прикладных исследований в области агро- и биофотоники, альтернативной энергетики, цифровизации и роботизации сельского хозяйства, оптического материаловедения. В перспективе хотелось бы сделать проект международным, чтобы проводить совместные исследования с коллегами из стран Европы, Азии. Кроме того, мы планируем привлекать грантовые средства Российских научных фондов, работать с венчурными и инвестиционными фондами, чтобы не только развивать данное направление, но и, возможно, ретранслировать наш опыт по стране, – подчеркивает Дамир. Не исключают политехники и вероятность использования подобных «умных» теплиц в регионах с экстремальными погодными условиями.

– Если полигон докажет свою эффективность, то данный опыт можно будет применять для работы, к примеру, в Арктике. Сибирь можно назвать своеобразной первой ступенькой, тестовой площадкой. Это пилотный проект, но мы будем пытаться его транслировать на регионы с действительно экстремальными условиями для эксплуатации. Что касается возможных конкурентов, то, например, компания «Филипс» поставляет готовые «умные» теплицы под определенные условия. Однако чаще всего они заточены под климат европейской части. Есть еще компания в Московской области, но она тоже работает с готовыми решениями, не касаясь исследовательской стороны, – подытожил руководитель проекта.

Подготовила Наталья Каракорскова