A duce oamenii pe Lună, apoi pe Marte și cine știe unde în continuare, este departe de a fi o sarcină ușoară, deoarece a face viața posibilă și sustenabilă în astfel de medii ostile este mult mai mult decât o simplă “provocare”. Un exemplu este cum să hrănim exploratorii spațiali atunci când aceștia se află atât de departe de planeta noastră? Dacă ne gândim la Marte, ar fi nevoie de 210 zile pentru ca o rachetă de reaprovizionare să ajungă la destinație, ceea ce, în mod clar, nu este o soluție optimă.
Figura 1: Interiorul cilindrului O’Neill – Tablou realizat de Rick Guidice (Sursa: PRBX/NASA) ▶
Agricultura spațială a făcut parte din acest vis și ne amintim cu toții de cilindrul O’Neill, creat de fizicianul de la Princeton Gerard K. O’Neill, care a publicat în 1974 un articol în Physic Today: “Colonizarea spațiului”. Articolul și cercetările lui O’Neill au alimentat o serie de filme științifico-fantastice în care apare un cilindru uriaș în rotație, care găzduiește ferme și este iluminat de un soare artificial (Figura 1). Nu am ajuns încă acolo, dar, pe această bază, primii oameni care vor locui pe Marte ar putea fi considerați fermieri mai degrabă decât astronauți! Așadar, cum va contribui electronica de putere la transformarea visului în realitate?
De la agricultura de interior de pe Pământ la spațiul cosmic
Hrănirea a 10 miliarde de oameni pe Pământ
Să începem cu începutul și, dacă luăm în considerare cele mai recente estimări, se așteaptă ca populația Pământului să ajungă la 10 miliarde de oameni până în 2050. În același timp, ne confruntăm cu schimbări ale condițiilor climatice care ar putea afecta întregul ecosistem alimentar și care ar necesita modificarea semnificativă a modului în care producem și consumăm alimente.
Figura 2: Iluminarea cu semiconductori pentru cultivarea legumelor în agricultura de interior (sursa PRBX / asharkyu-Shutterstock)
Având în vedere toți acești parametri și cerința de a produce alimente cu cel mai mare respect pentru mediu, în 1999, Dr. Dickson Despommier împreună cu studenții săi au dezvoltat ideea unei agriculturi moderne de interior, revitalizând termenii inventați în 1915 de către geologul american Gilbert Ellis Bailey: “Vertical farming”. Cu toții am auzit despre acest lucru, am citit o mulțime de articole despre clădiri industriale transformate în ferme verticale, dar de la începuturile în care se folosea iluminatul fluorescent sau cu halogen până la iluminatul cu semiconductori (SSL), există un număr uimitor de inovații tehnologice care contribuie la optimizarea energiei livrate plantelor pentru o creștere optimă, iar beneficiile agriculturii de interior se multiplică. Dacă luăm în considerare utilizarea spațiului, s-ar putea produce de 100 de ori mai multă hrană pe metru pătrat în comparație cu agricultura obișnuită, reducând utilizarea apei cu 90% și a substanțelor chimice periculoase la zero. Agricultura de interior este foarte atractivă, deși pentru a fi cu adevărat eficientă, o astfel de agricultură necesită un sistem de iluminat foarte eficient (figura 2).
Nu toate legumele pot crește cu un sol și o nutriție limitată prin impregnare, dar pentru cele aplicabile cu această metodă de cultivare, rezultatele sunt impresionante și devin și mai impresionante atunci când se utilizează tehnologii moderne de iluminat controlate de calculator, ceea ce pentru proiectanții de energie este un domeniu foarte interesant de explorat, combinând electronica de putere avansată și agricultura modernă, având în minte software-ul.
Figura 3: Spectrul de lumină pentru cultivarea plantelor și legumelor începe de obicei la 450 nm (lumină albastră) și trece prin 730 nm (roșu îndepărtat) (sursa PRBX)
Încă de la lansarea acestei idei, inginerii de agricultură de interior au efectuat cercetări pentru a valida spectrul și energia necesară diferitelor plante pentru a crește eficient. De la lămpile fluorescente sau cu halogen cu spectru larg la cele cu spectru mai îngust, industria de iluminat convențional a inovat mult, dar aceste tehnologii nu sunt suficient de flexibile și nici suficient de eficiente pentru a răspunde cererii.
Figura 4: Energia luminoasă necesară variază de la 50 micromoli (µmol) pentru ciuperci până la 2.000 micromoli pentru plantele cu utilizare intensivă a luminii (sursa PRBX).
În urma experimentelor efectuate în Japonia în perioada 2005-2008, cercetătorii agronomi au studiat diferite metode de iluminat pentru a ajusta spectrul și energia la anumite plante. Cercetătorii au ajuns la concluzia că spectrul luminos specific pentru cultivarea plantelor și legumelor începe de obicei la 450 nm (lumină albastră) și trece prin 730 nm (roșu îndepărtat) (figura 3). Densitatea fluxului de fotoni fotosintetici (PPFD – Photosynthetic Photon Flux Density) necesară variază de la 50 micromoli (µmol) pentru ciuperci până la 2.000 micromoli pentru plante precum roșiile și unele flori care se dezvoltă în plină lumină de vară (Figura 4).
Experții din agricultură ne spun că, pentru rezultate optime, diferite tipuri de plante pot necesita spectre de lumină diferite, precum și un echilibru și intensități diferite ale luminii între stadiul de răsad și cel de recoltare. Acest lucru duce adesea la necesitatea ca lumina artificială să aibă un număr de canale cu spectre diferite, reglabile individual în ceea ce privește intensitatea. Unele procese de creștere a culturilor combină diferite surse de iluminat, inclusiv utilizarea de flash-uri UV pentru a preveni dezvoltarea paraziților, ceea ce necesită o sursă de alimentare capabilă să treacă de la tensiune constantă la curent constant într-un interval de la aproape zero la maxim (figura 5). Această specificație pentru o sursă de alimentare este în mare măsură ceea ce va fi necesar pentru Space Farming, cu siguranță cu o arhitectură electronică de putere capabilă să combată efectele radiațiilor spațiale.
Implementarea agriculturii terestre în spațiu
Figura 5: Sursă de alimentare COSEL cu moduri multiple pentru tensiune sau curent constant de la maxim la aproape zero (sursa PRBX/COSEL)
În timp ce NASA planifică misiuni de lungă durată pe Lună și Marte, un factor cheie este găsirea unei modalități de a hrăni echipajele în timpul săptămânilor, lunilor și chiar anilor petrecuți în spațiu. Hrana pentru echipajele de la bordul Stației Spațiale Internaționale (ISS) este în principal preambalată pe Pământ și necesită livrări regulate de reaprovizionare. Acum, în timp ce ISS poate fi realimentată cu nave spațiale de marfă, este clar că este mult mai complicat și mai scump atunci când este vorba despre Marte, care se află la o distanță medie de 220 de milioane de km (140 de milioane de mile) și la mai mult de 200 de zile de călătorie.
În 2015, NASA, în asociere cu Grădina Botanică Fairchild din Miami, a demarat un proiect numit “Growing Beyond Earth” (Cultivarea dincolo de Pământ) pentru a defini ce plante ar fi potrivite pentru o agricultură spațială autonomă. După o serie de experimente și luând în considerare întregul ciclu de dezvoltare, s-a decis să se cultive o varietate de plante, inclusiv salată verde, soiuri de muștar și ridichi. Mai întâi într-un laborator controlat pe Pământ, apoi în ISS pentru a studia modul în care plantele sunt afectate de microgravitație și de alți factori (Figura 6).
Figura 6: Astronautul NASA Peggy Whitson se uită la experimentul de creștere a plantelor Advanced Astroculture Soybean (Sursa PRBX/NASA)
Proiectul “Veggie” a inclus un număr mare de factori experimentali, de exemplu, “Pick-and-Eat Salad-Crop Productivity, Nutritional Value, and Acceptability to Supplement the ISS Food System (Veg-04A)”, inclusiv cercetări privind condițiile optime de iluminare pentru cultivarea plantelor. Pe ISS, au fost testate două tratamente de lumină cu diferite rapoarte roșu-albastru pentru fiecare set de culturi, pentru a defini culorile și nivelurile de lumină și cele mai bune practici horticole pentru a obține producții ridicate de frunze verzi și roșii sigure și nutritive pentru a suplimenta o dietă spațială de alimente preambalate și, ulterior, pentru agricultura pe Lună sau Marte. Au fost publicate o serie de rapoarte, de exemplu, “Large-Scale crop production for Moon and Mars: Current gaps and future perspectives”, publicat în februarie în “Frontiers in Astronomy and Space Sciences”, care rezumă șapte ani de experimente pe Pământ și la bordul ISS (Figura 7).
Figura 7: Exemple de platforme spațiale mai vechi, actuale și viitoare ale Centrului Spațial Kennedy (KSC) pentru obținerea de culturi spațiale, selectate și proiectate pentru a da naștere unor unități de producție de culturi destinate pentru Lună sau Marte (Sursa PRBX/NASA)
Având în vedere diferitele varietăți de plante care trebuie cultivate, distanța și costurile, sursele de alimentare pentru agricultura spațială vor trebui să se adapteze la diferite profiluri de putere, combinând curent constant sau tensiune constantă, putere de vârf și să fie eficiente din punct de vedere energetic și de dimensiuni reduse. Acest lucru se adaugă la constrângerile specifice legate de spațiu în ceea ce privește imunitatea la radiații, temperatura de operare, șocuri și vibrații.
Importanța optimizării încărcăturii utile, a greutății și a dimensiunii tuturor lucrurilor este o mare preocupare pentru aplicațiile spațiale și, de la sateliții cu orbită joasă până la explorarea în afara spațiului, sursele de alimentare au fost dezvoltate cu tehnologii foarte avansate pentru a le face mai mici și mai eficiente din punct de vedere energetic.
Semiconductorii cu bandă interzisă largă (Wide Band gap) în aplicațiile spațiale au făcut parte din multe proiecte de cercetare și merită menționat raportul prezentat de NASA, în 2018, la conferința (RADECS) de la Göteborg: “Radiation and its Effects on Components and Systems”. Acesta a identificat punctele forte și punctele slabe ale WBG atunci când sunt expuse la radiații, iar anunțul recent despre colaborarea națională recent finanțată, condusă de Penn State, pentru o mai bună predicție și atenuare a deteriorării induse de radiații a semiconductorilor WBG este interesant. Departamentul american al Apărării a oferit echipei un contract pe cinci ani, cu un buget de 7,5 milioane de dolari pentru inițiativa de cercetare universitară multidisciplinară în domeniul apărării. Acest lucru arată în mod clar nivelul ridicat de importanță al WBG în aplicațiile spațiale și contribuția lor la următoarea etapă.
Figura 8: FET GaN EPC (Efficient Power Conversion) robust pentru aplicații spațiale și convertor DC/DC (Sursa: PRBX/EPC)
În paralel, industria semiconductorilor avansează, iar un exemplu în acest sens este noua divizie și noile produse pentru aplicații spațiale lansate de Efficient Power Conversion (EPC). Pentru proiectanții de putere, accesul la dispozitive robuste GaN COTS (Commercial Off-the-shelf) pentru aplicații spațiale va reduce timpul de dezvoltare și costurile atunci când se dezvoltă surse de alimentare pentru aplicații spațiale (figura 8).
Concluzii
Deși una dintre cele mai mari provocări ale agriculturii la bordul navelor spațiale este obținerea unei cantități suficiente de apă și nutrienți și apoi reciclarea lor cât mai eficientă, există multe alte obstacole cu care nu ne confruntăm încă pe Pământ și care vor trebui luate în considerare, cum ar fi radiațiile cosmice, lipsa atmosferei și nivelurile scăzute de lumină. De la proiectul “Growing Beyond Earth” din 2015 și până în 2022, s-au făcut multe progrese, contribuind la o mai bună înțelegere a agriculturii spațiale, precum și în domeniul electronicii de putere. Ne aflăm la începutul unei ere complet noi, în care semiconductorii cu bandă interzisă largă în electronica de putere vor juca un rol important.
O perioadă captivantă pentru proiectanții de putere, nu-i așa?!
Autor: Patrick Le Fèvre,
Director Marketing & Communication
Powerbox – A Cosel Group Company| https://www.prbx.com
Referințe:
- Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/
- The Colonization of Space – Gerard K. O’Neill, Physics Today, 1974 (https://space.nss.org/the-colonization-of-space-gerard-k-o-neill-physics-today-1974/)
- Fairchild Botanical Garden (https://fairchildgarden.org/gbe/)
- Growing Beyond Earth (https://www.nasa.gov/feature/students-help-nasa-researchers-decide-what-plants-to-grow-in-space)
- NASA / RADEC 2018 Jean-Marie Lauenstein – NASA GSFC, Greenbelt, MD, USA, Wide-Bandgap Semiconductors in Space: Appreciating the Benefits but Understanding the Risks
- Frontiers in Astronomy and Space Science. Large-Scale Crop Production for the Moon and Mars: Current Gaps and Future Perspectives. Published 04 February 2022 / doi: 10.3389/fspas.2021.733944
- Efficient Power Conversion (EPC) (https://epc-co.com/epc)
- Applied Power Electronics Conference (APEC) (https://apec-conf.org/)