بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از تکنولوژی های نوین سبب شده بسیاری از رویا های بشر به واقعیت تبدیل شود. در سال های اخیر توجه بسیاری از سازمان ها و موسسه های فضایی بر روی امکان کشت و کار محصولات کشاورزی بر روی کرات و سیارت دیگر متمرکز بوده است. در این مقاله برخی از پارامتر های اساسی برای راه اندازی چنین مزارعی، به صورت گلخانه های سیار مورد برسی قرار گرفته است. نتایج طراحی ها و برسی ها نشان داد با استفاده از سیستم های انرزی نو و سیستم های هوشمند زمینه برای ساخت و عملیاتی کردن این گلخانه ها فراهم است.
.1 مقدمه
شاید اولین روزی که بشر به کره ماه سفر می کرد به فکر کشت و کار کشاورزی در آنجا نبود، اما در حال حاضر یکی از برنامه های آینده سازمان های فضایی امکان ساخت مزارع کشاورزی در فضا می باشد. دانشمندان دانشگاه پوردو گونه ای توت فرنگی یافته اند که پس از کاشته شدن به نگهداری و انرژی کمی نیاز دارد. ویژگیهایی که می تواند این میوه را به یکی از محصولات کشاورزی فضایی تبدیل کند. محققان با آزمایش بر روی گونه های مختلف روی نوعی گیاه دریافتند، که این گیاه توانایی های لازم برای رشد و نمو در فضا را برخوردار است.
هدف اصلی این مطالعات بررسی امکان کشت دادن گیاهان در فضا با حداقل عوامل مورد نیاز برای تولید است و این توت فرنگی برای رشد به دوره های نوری کوتاهتری نیاز داشته و در نهایت میزان میوه های به دست آمده از آن با دیگر گیاهان توت فرنگی برابر است.
پژوهشگران همچنین روی ژن هایی داخل گیاهی کوچک و با رشد سریع در حال تحقیق می باشند. در یک سال و نیم تا دو سال آینده آنها امیدوارند که گیاهانی را با دو نسخه از ژن جدید داشته باشند. در آن هنگام بررسی عملکرد ژن ها امکانپذیر میشود، ژن هایی که گیاه را در مقابل خشکی، سرما، فشار هوای کم، مقاوم میسازند. اما تمام تلاش های صورت گرفته از طرف دانشمندان زمانی تحقق می یابد که بستر های لازم برای رسیدن به چنین اهدافی آماده شود در این مقاله به برسی پارامتر های اصلی کشت و کار فضایی با طراحی گلخانه های قابل حمل مورد برسی قرار گرفته است
.2 پروژه گلخانه ناسا
در اولین گام محققان ناسا در یک پروژه جدید قصد دارند روی سطح کره ماه شلغم، شاهی و ریحان کشت کنند. هدف از انجام این پروژه علاوه بر بررسی امکان زراعت درماه، ایجاد آرامش روانی برای فضانوردان مستقر در ایستگاه فضایی بین المللی و پژوهشگرانی است که در قطب جنوب مستقر هستند.
محققان در راه انجام این پروژه با چالش های جدی مواجه هستند. به عنوان نمونه ای از این چالش ها می توان به فقدان اتمسفر و سطح بالای تشعشعات خورشیدی و فضایی اشاره کرد که دائما سطح ماه را تحت تاثیر قرار می دهند. برای رفع این مشکلات، ناسا در حال ساخت یک محفظه ویژه است که قابلیت ذخیره هوا را برای 5 روز دارد. برای کشت گیاه در این محفظه، دانه ها روی نوعی فیلتر کاغذی قرار می گیرند که تمام مواد معدنی و آب موردنیاز را در اختیار آن ها قرار می دهد و نور خورشید موجبات رشد گیاهان را فراهم می کند.
فرآیند رشد گیاهان و عکس العمل آن ها نسبت به تشعشعات در یک بازه 10 روزه توسط دوربین های ویدیویی ضبط می شود و فیلم به دست آمده در اختیار دانشگاه های مختلف قرار می گیرد تا این آزمایش به طور همزمان توسط تعداد زیادی از محققان موردتجزیه و تحلیل قرار گیرد. محققان ساخت این گلخانه کوچک را اولین گام از پروژه ای عظیم می دانند که راه را برای آزمایشات گسترده تر روی تاثیر تشعشعات ماه بر میکروارگانیسم های همزیست گیاهان هموار می کند. در شکل 1 بخش هایی از این پروژه نمایش داده شده است
شکل : 1 پروژه ی گلخانه ناسا
.3 ملزومات ساخت یک گلخانه فضایی مبتنی بر مکاترونیک
با استفاده از یک طراحی مکاترونیکی می توان تمامی محرکه ها، سنسور ها و کل فضای گلخانه را به صورت یک پارچه طراحی و اجرایی ساخت. با توجه به شرایط ویژه ای و محدودیت های بسیاری که بر روی سیارات و کرات دیگر حاکم است، باید گلخانه ای طراحی نمود که شرایط زیر در آن لحاظ گردد:
-1 دقت در انتخاب نوع گیاهان مورد استفاده
-2 سنجش دقیق رطوبت، و پارامترهای بیولوژیکی بوسیله نانو سنسور ها و نانو بیو سنسورها و تزریق دقیق آب
-3 استفاده از شیوه های تولید انرژی های نو از جمله سلول های خورشیدی -4 مدیریت هوشمند تک تک گیاهان، خاک و فضای گلخانه با آخرین دست آورد های فناوری اطلاعات -5 ذخیره انرژی توسط باتری هایی با طول عمر و راندمان بسیار بالا
موارد فوق حداقل شرایط برای راه اندازی یک گلخانه فعال در فضا می باشد، به غیر از مورد اول که مربوط به انتخاب نوع گیاه است سایر موارد ذکر شده مربوط به ساختار خود گلخانه است که در ادامه به برسی آنها پرداخته شده است.
.4سیستم سنجش و تزریق آب گلخانه
آنچه از سیستم فوق مکانیزه آبیاری برای یک گلخانه فضایی انتظار می رود ، کاهش شدید مصرف آب به شرط عدم تنزل راندمان محصول می باشد. اما یک سیستم آبیاری مکانیزه بسیار حساس بدون داشتن حسگر های بسیار دقیق، نظارت آنلاین و به موقع کارایی لازم را ندارد. سیستم های هوشمند کنترلر و میکر شیر های برقی این امر را با دقت بیشتر و بدون خطا و اشتباهات انسانی با حداقل هزینه برای سیستم آبیاری گلخانه فوق انجام می دهد.
علاوه بر سیستم آبیاری با توجه به ارزش حفظ هر گیاه در فضا بایستی پارامترهای زیستی آن نیز به صورت آنلاین رصد گردد. تمامی این اندازه گیری های باید توسط نانو حسگرها ویا سنسورهای به طور معمول ترکیبی از بیوملکول و مبدل هستند، انجام پذیرد. اندازه گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز - نانو - ، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است. نانو حسگرهای از عناصر حسگری در مقیاس نانو استفاده می کنند که حساسیت این نوع از نانو مواد به حد کافی بالا می باشند. همچنین موادی که از نانو حسگرها ساخته می-شوند بایستی دوام و استحکام بالا و خواص الکتریکی خوبی داشته باشند.
با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. برحسب هدف مورد تجزیه وتحلیل، انواع مختلفی از سنسورهای شیمیایی و زیستی وجود دارد. در شکل 2 نمونه از این سنسور ها نمایش داده شده است.
شکل : 2 نمونه ای از نانو سنسور
.5سیستم تأمین انرژی گلخانه
یکی از این روشها که طی 20 سال اخیر، انسان از آن استفاده میکند، استفاده از باتریهای خورشیدی است. خورشید در هر ثانیه حدود 1000 ژول انرژی به هر متر مربع از سطح زمین منتقل میکند که با جمعآوری کردن آن میتوان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد. بهترین انرژی برای تأمین انرژی گلخانه مورد مطالعه استفاده از سلول های خورشیدی است که کارایی آن بارها توسط دانشمندان فضایی مورد تایید قرار گرفته است. سلول های خورشیدی ساخته شده از ویفر سیلیکون، کاربرد بسیاری دارند.
سلولهای تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاههای کوچکتر مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار میروند. آرایههای فوتوولتاییک الکتریسیته ی بازیافتشدنیای را تولید میکنندکه عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال میتوان به محلهای دور از دسترس، ماهوارههای مدارگرد، کاوشگرهای فضایی و ساختمانهای مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محلهایی که شبکه ی توزیع هم موجود است، مرسوم شدهاست. در شکل3 نمونه ای از کاربرد سلول خورشیدی برا تأمین انرژی حرکتی هواپیما نشان داده شده است.
برای ذخیره انرژی تولید شده باید از نانو باتری های نسل جدید استفاده نمود. نانولوله ها به عنوان جایگزینی مناسب برای گرافیت معمولی در ساختار الکترود گرافیت -لیتیم در نظر گرفته شده اند . به دلیل کوچک بودن ساختار نانولوله سطح مفید تماس آنها با لیتیم بیشتر از گرانیت معمولی است به طوری که ظرفیت یک لایه نانولوله د ر آزمایشگاه به 640 آمپرساعت به کیلوگرم رسیده است
