Аэропоника

Аэропоника — это метод выращивания растений в воздушной среде без использования почвы или другого субстрата, при котором корневая система растений периодически или постоянно орошается питательным раствором в виде мелкодисперсного аэрозоля. Относится к разновидностям гидропоники, но отличается тем, что корни находятся не в жидкой среде, а в воздухе, что обеспечивает максимальный доступ кислорода.

История

Идея выращивания растений в воздушной среде известна с начала XX века. Первые научные эксперименты по опрыскиванию корней растений питательными растворами проводились в 1910-х годах. Однако термин «аэропоника» был введён в 1942 году американским ботаником Уильямом Фредериком Герике (W. F. Gericke), который также считается пионером современной гидропоники. Герике разработал метод выращивания растений в воздушной среде с периодическим опрыскиванием корней.

В 1950-х годах технология получила развитие в рамках космических программ. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) заинтересовалось аэропоникой как способом обеспечения свежими продуктами длительных космических миссий. В 1960-х годах были проведены первые эксперименты по выращиванию растений в условиях невесомости.

В 1980-х годах израильский учёный Хаим Авив (Haim Aviv) разработал коммерческие аэропонные системы, которые начали использоваться в сельском хозяйстве. В 1990-х годах технология получила распространение в тепличных хозяйствах, особенно в регионах с ограниченными водными ресурсами, таких как Израиль, Австралия и страны Персидского залива.

В России исследования в области аэропоники проводились в Институте космических исследований РАН и в ряде сельскохозяйственных вузов. В 2010-х годах технология стала применяться в вертикальных фермах и городских хозяйствах.

Принцип работы

Основной принцип аэропоники заключается в том, что корни растений находятся в закрытой камере, где они периодически опрыскиваются питательным раствором. Раствор подаётся под давлением через форсунки, которые создают аэрозоль с размером капель от 10 до 50 микрометров.

Основные компоненты аэропонной системы

• Камера для корней — герметичный контейнер, в котором размещаются корни растений. Камера должна быть тёмной, чтобы предотвратить рост водорослей, и иметь отверстия для стеблей растений.
• Система подачи раствора — включает насос, трубопроводы и форсунки. Насос создаёт давление (обычно от 2 до 6 атмосфер), необходимое для распыления раствора.
• Питательный раствор — водный раствор макро- и микроэлементов, необходимых для роста растений. Состав раствора подбирается в зависимости от вида растения и стадии его развития.
• Таймер или контроллер — устройство, управляющее циклами опрыскивания. Обычно опрыскивание происходит с интервалом от 5 до 30 секунд с паузами от 1 до 5 минут.
• Резервуар для раствора — ёмкость, в которой хранится питательный раствор. Объём резервуара зависит от количества растений и частоты опрыскивания.
• Освещение — в закрытых системах используются светодиодные или натриевые лампы, обеспечивающие необходимый спектр света для фотосинтеза.

Цикл опрыскивания

Корни растений опрыскиваются питательным раствором короткими импульсами. В перерывах между опрыскиваниями корни остаются влажными, но не мокрыми, что позволяет им получать достаточное количество кислорода. Продолжительность и частота опрыскивания зависят от вида растения, температуры и влажности воздуха.

Классификация аэропонных систем

Аэропонные системы классифицируются по нескольким признакам.

По способу подачи раствора

• Низконапорные системы — раствор подаётся под давлением до 2 атмосфер. Используются в небольших домашних установках.
• Высоконапорные системы — давление от 2 до 6 атмосфер. Обеспечивают более мелкое распыление и лучшее покрытие корней. Применяются в коммерческих теплицах.
• Ультразвуковые системы — раствор превращается в аэрозоль с помощью ультразвуковых вибраторов. Позволяют создавать очень мелкие капли (до 5 микрометров), но требуют частой очистки оборудования.

По типу размещения растений

• Вертикальные системы — растения размещаются в несколько ярусов, что позволяет экономить площадь. Используются в вертикальных фермах.
• Горизонтальные системы — растения располагаются на одном уровне. Чаще применяются в теплицах.
• Трубчатые системы — растения высаживаются в отверстия на трубах, внутри которых циркулирует аэрозоль.

По степени автоматизации

• Ручные системы — управление циклами опрыскивания осуществляется вручную или с помощью простого таймера.
• Автоматизированные системы — оснащены датчиками влажности, температуры, pH и электропроводности раствора, а также контроллерами, которые автоматически корректируют параметры.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Максимальная аэрация корней — корни получают больше кислорода, чем при выращивании в почве или гидропонике, что ускоряет рост растений.
• Экономия воды — вода и питательные вещества используются более эффективно, так как раствор не впитывается в субстрат и не испаряется. Расход воды может быть на 90–95% меньше, чем при традиционном почвенном выращивании.
• Экономия удобрений — питательный раствор циркулирует в замкнутом контуре, что снижает потери удобрений.
• Отсутствие почвенных болезней — в аэропонике нет почвы, поэтому растения не подвержены почвенным патогенам, грибкам и вредителям.
• Компактность — системы могут быть вертикальными, что позволяет выращивать больше растений на единице площади.
• Контроль над условиями — все параметры (состав раствора, влажность, освещение) могут быть точно настроены для каждого вида растений.
• Быстрый рост — растения в аэропонике растут быстрее, чем в почве, за счёт лучшего доступа к кислороду и питательным веществам.

Недостатки

• Высокая стоимость оборудования — насосы, форсунки, контроллеры и датчики требуют значительных первоначальных вложений.
• Зависимость от электроэнергии — перебои в подаче электроэнергии могут привести к гибели растений в течение нескольких часов, так как корни быстро пересыхают.
• Необходимость точного контроля — малейшие отклонения в составе раствора или частоте опрыскивания могут негативно сказаться на росте растений.
• Засорение форсунок — форсунки могут забиваться солями из раствора или частицами, что требует регулярной очистки.
• Ограниченный ассортимент растений — не все виды растений хорошо растут в аэропонике. Крупные растения с мощной корневой системой (например, картофель или морковь) требуют специальных модификаций системы.

Применение

Сельское хозяйство

Аэропоника используется для выращивания зелени (салат, базилик, мята), овощей (томаты, огурцы, перец) и ягод (клубника). В коммерческих теплицах технология позволяет получать несколько урожаев в год при меньших затратах воды и удобрений.

Космические программы

NASA и другие космические агентства исследуют аэропонику как способ выращивания растений в условиях невесомости. В 2018 году на Международной космической станции (МКС) был проведён эксперимент по выращиванию салата в аэропонной системе Veggie.

Научные исследования

Аэропоника используется в ботанике и физиологии растений для изучения корневой системы, влияния различных питательных веществ и условий на рост растений. В России такие исследования проводятся в Институте физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН.

Городское сельское хозяйство

Вертикальные фермы на основе аэропоники устанавливаются в городах для обеспечения свежими продуктами местных жителей. Такие фермы работают в помещениях, что позволяет выращивать растения круглый год независимо от климата.

Образование

Аэропонные системы используются в школах и университетах для демонстрации принципов ботаники, гидропоники и автоматизации. В России аэропоника включена в программы некоторых сельскохозяйственных вузов, например, Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева.

Интересные факты

• В 2015 году на Международной космической станции астронавты NASA впервые попробовали салат, выращенный в аэропонной системе.
• В некоторых аэропонных системах растения могут расти в 2–3 раза быстрее, чем в почве, при одинаковых условиях освещения.
• Аэропоника позволяет выращивать растения с минимальным использованием воды — до 1 литра на 1 килограмм урожая, тогда как в традиционном сельском хозяйстве требуется до 100 литров.
• В России аэропонные установки используются в тепличных хозяйствах Краснодарского края и Московской области для выращивания зелени и ягод.

Источники

• Герике У. Ф. «Гидропоника — выращивание растений в питательных растворах». — М.: Сельхозгиз, 1942.
• NASA. «Aeroponics: A New Approach to Space Agriculture». — NASA Technical Reports, 1997.
• Авив Х. «Aeroponic Systems for Commercial Agriculture». — Israel Journal of Agricultural Research, 1985.
• Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН. «Методы аэропоники в исследованиях корневых систем». — М.: Наука, 2010.
• Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К. А. Тимирязева. «Современные технологии выращивания растений». — М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2018.