Ett team av forskare från National University of Singapore (NUS) har nyligen utvecklat en enkel lösning för att ta itu med två av världens största problem - vattenbrist och matbrist. De skapade en soldriven, helautomatisk enhet som kallas "SmartFarm" som är utrustad med ett fuktdragande material för att absorbera luftfuktighet på natten när den relativa luftfuktigheten är högre, och släpper ut vatten när det utsätts för solljus under dagen för bevattning.

SmartFarm har en annan fördel-processen för skörd och bevattning av vatten kan finjusteras för att passa olika typer av växter och lokalt klimat för optimal odling. Det hygroskopiska materialet som används i SmartFarm testades tidigare av Hawai'i Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) för dess tillämpning för fuktkontroll för rymdbaserat jordbruk.

"Atmosfärisk luftfuktighet är en enorm källa till sötvatten men det har förblivit relativt outforskat. I detta arbete har Vi har försökt att minska mat- och vattenbristen samtidigt. Vi skapade ett hygroskopiskt kopparbaserat material och använde det för att dra fukt från luften. Vi integrerar sedan detta material i en helautomatisk soldriven enhet som använder det skördade vattnet för att bevattna växter dagligen utan manuellt ingripande, "förklarade projektledaren biträdande professor Tan Swee Ching, som är från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid NUS.

Detta arbete publicerades i den tryckta upplagan av vetenskaplig tidskrift Avancerade material i oktober 2020.

Ny hydrogel som ankarteknik

Nyckelkomponenten i SmartFarm-enheten är en specialdesignad kopparbaserad hydrogel, som producerades med en ekonomisk och tidsbesparande process. Detta material är extremt absorberande, och tar upp fukt upp till tre gånger sin vikt. Efter att ha fått fukt, hydrogelen ändrar färg från brunt till mörkgrönt och slutligen till ljusgrönt när det är mättat med fukt. Det släpper också ut vatten snabbt under naturligt solljus-ett gram kopparbaserad hydrogel frigör 2,24 gram vatten per timme.

NUS-teamet testade också kvaliteten på vattnet som samlades upp med hjälp av kopparbaserad hydrogel, och fann att det uppfyller WHO:s standarder för dricksvatten. Därav, vattnet som samlas in av den kopparbaserade hydrogeln är lämpligt för dricks- och jordbruksändamål.

Dessa intressanta egenskaper gör den attraktiv för användning i SmartFarm -enheten.

På natten, topplocket öppnas för att låta den kopparbaserade hydrogeln attrahera atmosfärisk fukt. På dagen, vid en förinställd tidpunkt, topplocket stängs för att begränsa vattenångan så att den kan kondenseras på höljets yta, särskilt på överkåpan. Vattendroppar kommer gradvis att bildas och när fukten som lagras i kopparbaserad hydrogel frigörs helt, topplocket öppnas automatiskt och vattendroppar som torkas av av parallella torkar faller ner på jorden för att bevattna växterna. De återstående vattendropparna på enhetens väggar fortsätter att ge en fuktig miljö för hälsosam växttillväxt.

Som ett bevis på konceptet, NUS -teamet odlade framgångsrikt Ipomoea aquatica (allmänt känt som kangkong, en populär grönsak i Sydostasien) med SmartFarm -enheten.

Asst prof Tan sa, "SmartFarm-konceptet minskar kraftigt efterfrågan på sötvatten för irritation och är lämplig för stadsodlingstekniker som storskalig takodling. Detta är ett viktigt steg framåt för att lindra vatten- och matbrist inom en snar framtid."

"Vi har också skapat ett samarbete med HI-SEAS för att experimentera med tillämpningen av vår hydrogel för fuktkontroll i utomjordiska växttillväxtkammare. Vi hoppas också kunna utforska andra potentiella rymdapplikationer, " han lade till.

Att odla mat i rymden

HI-SEAS är en avlägsen anläggning belägen på lavafälten i Hawaii Mauna Loa-vulkanen som är utformad för att simulera långvariga uppdrag till månen och Mars. Herr Benjamin Greaves, som gick med i Selene II simulerade Moon missionat HI-SEAS som ägde rum från november till december 2020, använde hydrogeln som utvecklats av NUS -teamet för att kontrollera luftfuktigheten i små experimentella växthus för att odla och upprätthålla grödor av ätbara mikrogröna solrosväxter och högkrasse för missionens astronauter.

"Dessa är perfekta för utforskning av rymden, eftersom vi har mycket begränsat utrymme att odla växter där uppe, men dessa mikrogrönsaker är fortfarande fyllda med näringsämnen, vitaminer och mineraler, "Sade Greaves. De hydrogelodlade plantorna gav ett välkommet färskt tillskott till den frystorkade maten som levererades för huvuddelen av uppdraget.

HI-SEAS-experimenten visade att hydrogelerna som utvecklats vid NUS erbjuder en potentiellt låg kostnad, låg vikt och låg energilösning för odling av grödor på självbärande gårdar.

Nya funktioner

NUS-teamet tänker sig att SmartFarm-enheten kan förbättras ytterligare med ytterligare funktioner innan den går över till storskalig och kommersiell produktion. Till exempel, en flerskiktad struktur kan utformas för att maximera nyttan av takytor för att öka livsmedelsproduktionen, och en luftkyld kondensor kan läggas till enheten om växterna är känsliga för temperatur.

Vidare, att skydda sig mot långa grumliga dagar, ett värmesystem kan vara inbäddat i behållaren med kopparbaserad hydrogel för att ge tillräcklig värmeenergi för att aktivera den vattenavgivande processen utan solljus. Dessutom, SmartFarm -enheten kan inkludera trådlösa nätverksmöjligheter så att användare kan övervaka och styra odlingsprocessen med smartphones.