Kybernetikk og miljø. Emil Dæhlin, Jesper Pedersen, Anders Holvik, Ørjan Svendsen og Hallgeir Horne

Transkript

1 Kybernetikk og miljø Emil Dæhlin, Jesper Pedersen, Anders Holvik, Ørjan Svendsen og Hallgeir Horne Your extreme 2015

2 Ingress Ni milliarder mennesker spiser mye mat. Vår heliksfarm åpner for å dyrke mat på arealer som hittil har vært utilgjengelige for jordbruk på en effektiv måte. Figur 1. Illustrasjon av heliksfarmens utforming

3 Gruppa Vi er en gruppe studenter fordelt på studieretningene Energi og miljø og Kybernetikk og robotikk. Våre bakgrunner er svært forskjellige. Hallgeir er en strukturert arbeidshest med bakgrunn fra den norske turistforening, og kjenner dermed naturen ut og inn. Emil kommer fra gård, og er storbonden i gruppa, med full oversikt over det som må til for at ting skal spire og gro. Med bakgrunn som tømrer er Ørjan vår dreng, med praktiske løsninger jobber han på spreng. Anders er fra fjordfylket og Gloppen hvor senterpartiet står sterkt, oppfostret med bondevett er han et nyttig tilskudd i utformingen av neste generasjons jordbruk. Jesper er nordlending med medfølgende sterke meninger som løfter oss mot nye høyder og inn i fremtiden.

4 Vår løsning I oppgaveløsningen vår har vi valgt scenario 4. Vårt fokus har vært på hvordan man kan utforme farmer som gjør det mulig å dyrke grønnsaker ned til 300 meters dyp, med spesielt fokus på enkelhet, automasjon og plassutnyttelse. For å avgrense problemet forutsetter vi videre at fiberoptikk og solfangere har kommet langt i utviklingen. Disse har lave tap og klarer effektivt å lede solen videre ned i vår farm. Vi går også ut fra at å konstruere en sylindrisk struktur som tåler å være på så dypt vann som 300 meter er mulig å få til. Generelt har vi sett bort fra de fleste mekaniske og konstruksjonsmessige element i oppgaven. Vi ser også for oss at det har skjedd en utvikling innen dyrking av grønsaker i andre medier enn jord, i tillegg til at vi antar tilgang på ferskvann. Konseptet vårt baserer seg på at vi kan dyrke grønnsaker og annen mat i en stor vertikal sylinder som strekker seg fra vannoverflaten og nedover mot dypet. I bunnen er den avrundet for å bedre kunne stå i mot trykkrefter. Vi tenker oss at det er atmosfæretrykk inne i sylinderen, og at det i senteret av sylinderen vil befinne seg et stort rør. Dette røret er hovedpulsåren til systemet vårt. I denne kjernen vil det sendes lys, luft og vann. En illustrasjon av røret er vist i figur 2. Figur 2. Tverrsnitt av kjernesylinder med heis, luftekanaler og fiberoptikk.

5 Lyset sendes gjennom de nevnte fiberoptiske kabler til hver sin utspredningsplate. Platene er jevnt spredt nedover spiralen slik at lyset kan bli jevnt spredt ut. Separerte utspredningspunkt og kabler for lys gjør at man kan regulere lysstyrke og -spekter tilpasset til plantene i nærhet av kilden. (Tilpasning og kontrollsystemer utdypes senere). For luft er det to sjakter; en for tilførsel av luft og en for tilbakesending av luften. I likhet med lyset er inntak og uttak av luft spredt jevnt nedover spiralen, men her i annenhver rekkefølge. Dette gjøres for å gi jevn og god sirkulasjon av luft gjennom plantene. Luftstrømningene drives av vifter eller lignende, i likhet med et ventilasjonssystem. Vi tar utgangspunkt i at indre sjakt er 10 meter i diameter, indre yttervegg er 40 meter i diameter, takhøyden er 3 meter og vi dyrker i 300 høydemeter. Disse forutsetningene gir et dyrkbart areal på omlag 118 dekar. Dette er i samme størrelsesorden som arealer det dyrkes grønnsaker på i dagens jordbruk. Et vilkår som må være oppfylt for å dyrke planter, er tilgang på næringsstoffer. Det er i hovedsak forbindelser som består av nitrater, ammonium og fosfater som er essensielle for plantenes utvikling. Etter det store gjennombruddet med Haber-Bosch-syntesen, kom kunstgjødselens store gjennombrudd. Selv om dette gjennombruddet har ligget til grunn for voldsom vekst i matproduksjon har det vist seg at det er knyttet flere miljømessige utfordringer til dette. I dag skapes det store dead-zones som skyldes algeoppblomstring som følge av opphopning av de næringsrike nitrogen-forbindelsene. Et viktig poeng med Haber-Bosch prosessen er at den per i dag ikke er reversibel. Det vil si at det per i dag ikke er noe nitrogenkretsløp, men at vi isteden har en opphopning av nitrogen-forbindelser på jorda. Dette er ikke bærekraftig på lengre sikt. Vi velger derfor å benytte oss av naturlig gjødsel i størst mulig grad. Vårt system skal utnytte kloakken og matavfall fra bydelen. Dette skal renses og behandles slik at næringsstoffene kan gjødsle plantene som dyrkes. Denne næringen tilføres gjennom vann til plantene som ikke er avhengig av jord for å vokse, mens de resterende plantene vokser et revolusjonerende vekstmedium som har blitt utviklet i tiårene frem mot Mediumet er en næringsfylt gel som fungerer som bindemiddel for ulike fibre. Denne blandingen vil da være en jordliknende substans som gjør det mulig for røttene å få festet de trenger for at grønnsaker og andre jordbruksprodukter kan vokse optimalt. Det som gjør dette mediumet så fantastisk er at gelen ved grønnsakenes veksttemperatur er fast, men ved høsting varmes den opp noen grader og blir flytende. Vekstmediumet kan da skylles av og innhøstingsprosessen blir enkel. Den brukte gelen samles inn, tilføres ny næring og brukes igjen. Trondheim er i 2050 verdensledende på effektivt jordbruk nettopp på grunn av denne gelen. Den er utviklet for å kunne tilpasse vekstmediet spesielt til det som skal dyrkes. Gelen sørger for ideell næringstilførsel og ph-verdi da den blandes utifra den enkelte plantes behov. Den er også utviklet for å sikre best mulig veksttemperatur til enhver tid. Stoffet inneholder også små sensorer som til enhver tid overvåker plantenes vekst, og avlingene kan høstes ved optimalt tidspunkt. De ulike heliksfarmer vil kunne spesialiseres for forskjellige planter. I tillegg til at vi kan justere egenskapene til vekstmediene vann og gel, kan vi også justere faktorer som temperatur, luftfuktighet, lysets bølgelengder og lysintensitet i selve heliksfarmen.

6 Forskjellige planter vil kunne ha forskjellige behov når det gjelder alle disse faktorene. Ved at vi kan variere disse parameterene, kan vi optimalisere vektforholdene til de ulike plantene som vokser på en gitt heliksfarm. En annen ting vi også vil åpne for med vårt konsept er genmodifisert mat. I dag er dette meget kontroversielt og møter stor motstand fra mange samfunnsgrupperinger. I teknologien ligger det likevel et enormt potensiale. Man kan skreddersy planter til f.eks. å gi store avlinger, ikke trenge pollinering, være motstandsdyktige mot sykdommer og være næringsrike. Dette åpner helt nye muligheter når det kommer til arealeffektivitet i avling per dekar. I og med at vårt system også er lukket, er det et glimrende sted å drive genmodifisert jordbruk, ettersom våre jordbruksprodukter ikke har interaksjon med de naturlige økosystemene. For å utnytte arealet inne i sylinderen best mulig, ser vi for oss at vi dyrker grønnsakene på et heliksplan som snor seg ned i sylinderen (se figur). Dette gjør at vi kan ha roboter til høsting og såing. Vi ser for oss at vi har et skinnesystem festet i taket (undersiden av heliksplanet) gjennom hele sylinderen. En robot festet skinnesystemet, og kan ved hjelp av disse beveges langs spiralen oppover og nedover. Roboten kan handtere forskjellige redskap, som gjør at den kan gjøre forskjellige ting knyttet til hva som trengs på det aktuelle tidspunktet. (Dette gir fleksibilitet til systemet vårt). Høstingen vil foregå ved at roboten plukker opp grønnsakene og legger dem på et samlebånd som går opp til topps av sylinderen. De som vokser i gel vil bli plukket opp etter hvert som gelen blir gjort flytende, og de som vokser i vann plukkes bare opp når de er modne. Når det gjelder avfall fra anlegget, vil vi fokusere på mest mulig gjenbruk. Siden plantene er genmodifiserte er det viktig å håndtere dem som farlig avfall. Det som eventuelt blir igjen av biologisk avfall tenker vi derfor at man kan brenne, og dermed utvinne energien fra. Ellers vil gelen brukes på nytt mange ganger, som tidligere nevnt. Tilgang på tilstrekkelig sollys er en utfordring i og med at hele konstruksjonen befinner seg under vann. Dette kan løses med fiberoptikk som frem mot 2050 har blitt en velutviklet teknologi. Med en virkningsgrad opp mot den teoretiske på 92% vil vi kunne transportere og levere lys nærmest identisk med det vi har på havoverflaten ned til dypet. Solfangere strategisk plassert i Midtfjordskomplekset kan fange sollys. Gjennom fiberoptiske kabler sendes sollyset inn i vekstsylinderen. Ved å føre mange slike fiberoptiske kabler ned i kjernen kan sollys fordeles jevnt nedover hele sjakten og dermed nå ut til alle nivåer i vekstsylinderen. Kjernesjakten vil være klar og oppfattes som et gigantisk lysrør, og ved å ha alle vegger i sylinderen dekket av speil vil sollyset kunne utnyttes maksimalt. I taket nær skinnesystemet vil det være montert LED-lys som brukes til å gi plantene lys om natten. Da sover de fleste innbyggerne i Midtfjordskomplekset og strømforbruket der blir betydelig redusert. Det passer da fint å bruke strøm til plantebelysning. Det nevnes også at vann antas tilgjengelig. Dette ferskvannet vil tilføres næring, og det vil deretter renne nedover hele heliksplanet fra toppen til bunnen. I bunnen av sylinderen er det

7 en halvkule med maskinrom. Her har vi maskinen til heisen og en pumpe som pumper vannet opp til toppen igjen. Der gjenbruker vi i størst mulig grad vannet og tilfører det ny næring, slik at vi får et kretsløp i sylinderen. Hovedfunksjonen til lufttilførselen er å tilføre CO 2 til plantenes fotosyntese, og transportere O 2 ut. Det er tenkt at luftsystemet integreres med byen slik at farmen fungerer som en grønn rensende lunge for byen. Om ikke byen inneholder nok CO 2 for en optimal prosess er det tenkt at dette kan tilføres fra andre kilder som f.eks. luften utenfor. Samtidig kan luftesystemet brukes til å regulere varme og luftfuktighet. Systemet vil styres av en stor integrert kontrollstruktur. Det vil basere seg på detaljerte data om hver plante som vil bli brukt for å gi optimale forhold for dyrkning. For å gi optimale forhold vil varme, luftfuktighet, lysmengde og lysspekter kunne tilpasses. Optimalt lysspekter for en plante avhenger av type og hvilket steg det er i veksten. Forskjellige bølgelengder kan derfor tilføres med lamper for å oppnå maksimal vekst og utnyttelse av energien. Andre bølgelengder kan absorberes og omgjøres til energi med solcellepaneler, feks. UV-stråler som bare er nyttig i små mengder, og ellers kan være skadelig for planter. Figur 3. Hovedsylinder sett ovenfra.

8 Figur 4. Illustrasjon av heliksfarmens utforming. Figur 5. Slik vil bunnen av sylinderen se ut.