(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元植物生産性、三次元収穫量、トン／ｍ３／年を増大させる進歩的なシステム、手段、方法による、三次元多層農法（ＭＬＦ）を提供する。【解決手段】ＭＬＦシステムの各層は、植物の成長を維持するために多機能を実施するよう設計され、かつ、これらの機能をコスト削減するように組入れられた、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長成分（ＳＧＥ）の少なくとも１つのストリングからなる。加えて、全ての層は、初期資本投資コスト及び消耗品の変動費を最小化させるために資源を共有することを可能にする新しい透過性の特徴を有する。つまり、（１）層は光透過性があり、植物の成長過程を通して最低限の人工光を使用し、共有する、（２）各層の植物の根部と茎は隣接層にある根部と茎の空間を共有して垂直方向の空間圧縮を達成する、（３）層は、流体送達供給源を最小化するために栄養素の流体に対して透過性がある。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの一体的に製造されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長成分（ＳＧＥ）と、
資源透過性を提供する少なくとも１つの手段と、を含む、
透過性三次元多層農法システム。
【請求項２】
前記ＳＧＥが、該バイオマスの生命を維持するために、多機能な自給自足をする手段を含む、請求項１に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのＳＧＥが、第１、第２及び第３空間座標に配置する多層三次元アレイ構造体を形成するように相互接続され、また、システムが資源透過性の少なくとも１つの手段を含む、請求項１に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項４】
前記アレイ構造体が相互接続したストリングのＳＧＥネットワークからなり、前記少なくとも１つの層が共有資源に対して透過性がある、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項５】
前記共有資源が、照明、加熱、冷却、栄養素を含む、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項６】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層、及びその間の空間からなり、前記第１層の植物の根が前記第２層の植物の茎の空間を共有する、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項７】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層、及びその間の空間からなり、前記第２の植物の茎が前記第１層の植物の根と茎の空間を共有する、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項８】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層、及びその間の垂直空間、垂直空間を圧縮する手段を含み、前記手段は、植物の根及び茎が第１、第２層で共有することが可能な層構造を含む、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項９】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層からなり、前記構造が、少なくとも１つの供給源からの光に対して透過性がある持続的に透明な材料で構築される、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項１０】
前記アレイ構造体が少なくとも第１、第２の層からなり、前記層が、少なくとも１つの供給源からの流体に対して透過性がある、請求項３に記載の透過性三次元多層農法システム。
【請求項１１】
前記流体が、霧、ミスト、流れ、滴下の群から選ばれる少なくとも１つのサブシステムにより送達される、請求項９に記載の透過性三次元多層農法システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、農業、園芸、農学及び食糧の農業経済学、エネルギー、その他の有機体物質の分野に関する。具体的には、植物、収穫量、光合成エネルギー変換効率の最適化、並びに、時間、空間、水、栄養素を含めた他の資源の利用効率に関する。さらに具体的には、本発明は、太陽エネルギーまたは土壌に依存せずに実施する、屋内三次元（３Ｄ）環境制御農法、空間、垂直農法に関する。また、植物の成長を維持する複数の層から成る三次元農業システムに関する。より具体的には、各層が水、栄養素、光、隣接層からの芽と根を貫通させるという意味で、複数の層は透過性がある。
【背景技術】
【０００２】
同時係属中の特許出願「食糧及びエネルギー生産のためのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）（非土俵：Ｓｏｉｌ−ｌｅｓｓ）屋内農法」の全体が、本明細書に参考として援用される。従来の土壌を主体とした農業の限界及び欠点について詳しく述べている、本出願は、以後、「最初のサンソイル出願（ｔｈｅ  Ｆｉｒｓｔ  ＳａｎＳＳｏｉｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）」または「ＦＳＡ」と言う。本出願では、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）、新規植物成長モデル（ＰＧＭ）に基づく代替的非土壌三次元多層農法に関する進歩的な教示を提示した。
【０００３】
総じて、ＡｇｒｉＰＡＬ及びＰＧＭは、科学的原則に基づく数学的分析基礎を初めて発表しているが、光合成の働きを示し、収穫量、エネルギー効率、農業収益性の予測式を提示した。これらは、今日まで植物科学者及び農学者が捉えることができず、困惑させていた謎を解明した。かつ、太陽利得、及び資源利用効率の評価手段で収集された極めて高い生理学的利得の概念を明らかにした。これらの利得により、収穫量と効率が１０倍以上も上昇し、アプローチの経路は１００倍になる。
【０００４】
ＦＳＡは、本出願及び後続関連の出願で提示されている多くの進歩的な発明に寄与している。したがって、本出願は、ＦＳＡの背景、数式、教示に大きく依拠している。
【０００５】
世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能であろうか。
栄養状態の改善と併せて、健康科学と技術の発展により、幼児死亡をほとんど根絶する道ができた一方で、平均寿命が８０才を超えようとしている。その結果として、世界人口が２０５０年までに、少なくとも９０億人になると予測されている。このように予測される人口規模は、我々の地球が抱える最大の課題として、長年、認識されているが、食糧、エネルギー、土地、水などの限られている資源を圧迫し、かつ、質の高い生活とライフスタイルを獲得し維持するために厳しい競争と対立を助長している。
【０００６】
本課題は、近年、２００９年１０月１２〜１３日にローマで開催された「２０５０年の世界の食糧問題」と題するハイレベル・エクスパート・フォーラムの成果を発表した国際連合食糧農業機関（ＦＡＯ）により強調されている。さらに、二酸化炭素ならびに地球変動研究センターが発行しているＣＯ２−Ｓｃｉｅｎｃｅ（発行、２０１１年６月１５日）の「２０５０年の世界の食糧生産予測：世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能か。」と題する論文の中で、Ｃ．Ｄ．Ｉｄｓｏ博士は、本課題を強調した。
【０００７】
ＦＡＯもＩｄｓｏ博士も、次の憂慮すべき点で合意している。それは、１人当たりの世界の食糧生産、耕地、水資源、主食農作物の農産物の圃場収穫量の大幅な減少である。破滅的な結末を避けるために、両者は、食糧生産技術、システム、方法の急激なパラダイム・シフトの必要性を指摘している。現在の食糧の需給ギャップでは、世界の多くの地域で飢餓、栄養不良、餓死が起こる荒廃的な結果が継続する。ＦＡＯによると、２０１２年は１０億人が飢餓状態である。２０５０年の９０億人の人口では、このギャップがさらに拡大することが予想される。世界の多くの地域の飢餓に加えて、地政学的な不安定さによって、人類の福祉に計り知れないほどの悪影響を及ぼすだろう。
【０００８】
さらに、これらの課題は、以下の３つの矛盾に現れている。
矛盾  Ｎｏ．１：食糧  ｖｓ．  二酸化炭素低減
多くの人々は、二酸化炭素の排出が地球温暖化を引き起こしていると憂慮している。そのような人々は化石燃料の使用削減に取組み、ＣＯ２の削減を主張し、政府に要求している。人々は政府を動かす影響力を持っており、世界中でＣＯ２を増やす資源の使用を抑制する法律が施行されている。しかしながら、これは、第一優先順位である生命を維持し世界の人々に食糧を供給するニーズと直接的に矛盾するものである。現在、１０億人の飢餓が緊急の問題であり、２０５０年には３０〜４０億人に膨れ上がる。「地球温暖化」を心配するグループが、疑わしい光合成モデルを使用し、２１００年の人類の悲惨な結末を予想する一方、植物性食物効率が０．５％未満（表１）である理由を理解するのに同じモデルを使用できないのは矛盾である。完全で正確な理解があれば、ＣＯ２が多いほど熱をよく吸収すると同時に、食糧とバイオ燃料が緊急に必要な現状に対応できることがわかるだろう。要するに、ＣＯ２は食糧と生命の主要な成分である（生物には炭化水素が重要である）。
【０００９】
矛盾  Ｎｏ．２：食糧  ｖｓ．燃料
脱地球温暖化によって生じた直接的な結果は、バイオマス由来のＣＯ２排出ゼロの輸送用燃料、バイオ燃料を生産する、米国、ＥＵ、及び他の国が課した規制である。これにより、世界の人口を養うことを最優先にした場合、さらに、第２の矛盾が生じている。食糧生産に今まで向けられていた希少な資源、例えば、耕地、水、種子、肥料、除草剤、農機具を別の方向へ向けるバイオ燃料は、問題を悪化させるのではないかと多くの人々が心配する。その結果として起こる食糧及びエネルギー価格の圧力により、地球上の恵まれない多くの人々の栄養格差問題の解決がより難しくなるであろう。そのような人々の数は増えると心配されている。また、食糧とエネルギーの確保の両立にも矛盾が存在する。
【００１０】
矛盾  Ｎｏ．３：食糧  ｖｓ．森林
表１に示したように、植物科学者及び農学者は、効率測定値は０．５％未満であると同意するが、損失の発生源である、９９．５％未満の損失を充分に説明できていない。この損失を十分に説明することが、それを最小化する進歩的な方法の鍵である。
【００１１】
植物は、炭水化物、糖類、デンプン、セルロース、タンパク質類の分子結合エネルギーの形態で太陽エネルギーを蓄える。一般的に入手可能な主食農作物（砂糖類、穀物、豆類、葉物野菜、ポテト、ヤムイモ、キャッサバなどのイモ類）を経済的に生産するにあたり、従来の農法は、太陽エネルギーがゼロ・コスト（ＺＣＯＥ）であることに依存している。これにより、太陽の放射が単位面積（ヘクタール、エーカー、平方メートル）当たりワット単位で送達されるので、屋外での耕作、つまり、二次元的な土地での耕作を行うことになる。
【００１２】
ＺＣＯＥに依存する限り、従来の農業経営は０．１〜０．５％の効率を受け入れざるを得ない（表１）。効率がこのような低率になる要素の１つは、植物の成長を支える土壌ならびに容易に制御できない土壌由来の栄養素を使用する必要があるからである。制御が出来ない場合、土壌は不利益であり、利点ではない。新種を生産する場合の育種家の主な懸念事項は、特定の環境（地形）と土壌ミネラル組成物である。全て適合する１つの最適種を生産するよりも、市場のニーズに出来る限り対応するために、多くの成長品種生産をする必要が生じている。そうはいっても、生産コストの制約から妥協が必要である。これが、制御不可能な屋外での土壌を主体とした農業の現状である。
【００１３】
従って、ＺＣＯＥに依存すると、生産者、食物生産企業は制限され、制御を行うことができない。一方、このことにより、二次元の耕地、水、肥料、農薬等の充分に使用されていない膨大な資源が必要とされてきた。１８００年代の１０億人から現在の７０億人という人口増加に対応するために、急速な森林伐採が行われた。地球規模で、森林伐採による地球温暖化に悪影響を与えるのを恐れ、政府は法律と規則を制定して森林伐採による農地の増加を制限している。これが、世界の人々に食糧を供給することとエネルギー確保との両立における第３の矛盾である。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
農法の収益性及び経済的実行可能性、ＡｇｒｉＰＡＬ
同時係属中のＦＳＡにおいて、農業の収益性を確保する法則，ＡｇｒｉＰＡＬの公式を提示し、広範囲にわたって考察した。ここに数式（２）を記述する。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
ＡｇｒｉＰＡＬにより、企業は植物成長システムの収益性、価格を予測し、効率性のボトルネックを見極めることができる。
【００１８】
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【００１９】
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【００２０】
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【００２１】
当該分野では公知であるように、農業は、食糧生産の不可欠な要素：ｉ）太陽、ｉｉ）二次元の田畑、つまり、植物の成長を力学的に生理学的に支持する土壌によって覆われたエリア、ｉｉｉ）灌漑用の水資源、ならびに栄養素を含む、図１Ａに示すような形で一般的に行われる。これを、一般にゼロコストで得られる適度の量の太陽、水、栄養素を備えた耕地という。補完的な栄養素または肥料を加えたとしても、相対的に低コストである。ＦＳＡ記載のＡｇｒｉＰＡＬで示したように、この形態の農法は、主要な栄養素が低コストまたはゼロコストであったので収益が上がっていた。
【００２２】
近年、屋内の制御環境での農業（ＣＥＡ）の導入が増えてきている。例示的な従来の技術として参考になるのは、米国特許第３，９３１，６９５号であり、ＣＥＡについての説明がなされている。ＣＥＡでは、成長エリアは保護されているので、多くの成長パラメータの制御を可能にし、これにより、高収穫量で高い資源利用効率を達成している。土壌を使用しない水耕または空中成長での栄養素送達農法が増え、多くの植物栽培の経済的実行可能性を高めた。図１Ｂは、温室と呼ばれる、ＣＥＡの要素を示す。直射日光の照度を使用した場合、ＣＥＡは、天候、及び農薬、栄養素、水の管理から保護という付加的利益を有する従来の保護された農法と同じである。温度を調節する場合は、収穫量を上げて、一年を通して繰り返して栽培できる。人工照明を使用する場合は、栽培時間を一日あたり２４時間まで延ばすことが可能となる。
【００２３】
本農法の受け入れが進むにつれ、特定の高付加価値の植物にも経済的実行可能性があることをＡｇｒｉＰＡＬが示した。暖房または冷房の付加的なエネルギー消費、さらには、付加的なインフラのコストが発生するため、屋内農法では、節約して（有利に）、主食農作物またはバイオ燃料を生産することはできない。ＦＳＡの目的及び本発明は、主食農作物についても屋内農法が実行可能性を示すことが進歩的な態様である。
【００２４】
最近では、Ｖａｎ  Ｇｅｍｅｒｅｔらが、米国特許第２０１１／０２５２７０５号、２０１１年１０月２０日において、図１Ｃに示した三次元農法システムを教示した。本システムは垂直に多くの棚を積み上げ、図１Ｂの温室に似ているが、層が何層にもなっている。本垂直農法の概念の顕著な特徴は、ｉ）単位面積当たりの高い生産性；ｉｉ）各層の植物は隣接層の植物と独立；ｉｉｉ）各層の資源（光、栄養素）は直接的に共有しない；ｉｖ）人工の光照明だけの使用に限定；ｖ）各層の天井高  ｈ  により、システムの単位高さ当たりの生産性が低効率である。経済的実行可能性は、チューリップ、切り花などの高付加価値商品に限定される。後に詳しく示すように、本発明は、光と栄養素を共有するように結合したネットワークストリングがある栽培層を使用することで、これらの制限に対処することで、栽培に必要な垂直高さを５から５０の係数だけ圧縮する。
【００２５】
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【００２６】
図１Ｄ〜図１Ｈは、太陽５１で植物５３が照射される、個別の環境、（要素）５０ａ〜５０ｅを有する従来の技術に基づく植物栽培方法を示す。それらを区別しているのは、栽培培地のタイプ、機械的支持に対する植物、植物に栄養素を送達する方法である。要素５０ａ、５０ｂ、５０ｅの場合、土壌が植物を支持し、栄養素を直接、土壌に送達し、それを植物の根が吸収している。
【００２７】
要素５０ｃの場合、１つ以上の植物を栽培するのに、機械的構造体５４（容器）を含めて、当技術分野において周知の水耕栽培が使用されている。容器には、間欠的に（または、連続的に）栄養素５５を満たし、多孔質の根部支持構造体５２ａを通して植物は栄養素を吸収する。この根部支持構造体は土壌に代わるものである。
【００２８】
また、当技術分野において周知の空中栽培５０ｄでは、植物支持構造体５６を貫通して根が底部空間５７ｃに到達し、根はノズル５７により直接、スプレーされる。本方法では、根が周囲酸素と直接接触するので、土壌、及び、水耕システムでの収穫量よりも高い結果を出すことが知られている。本方法は、垂直方向空間利用効率の低さ及びノズルの目詰まりなど大きな欠点がある。全ての従来技術では、根部は複数の異なる物理的に分離したコンポーネント（統合コンポーネントではなく、個別のコンポーネント）により栄養が与えられる。また、これらの要素の全てが、底部から間接的に根部に栄養を与える。
【００２９】
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【００３０】
さらに、多層三次元システムを形成する、ストリングのネットワークは、多層における進歩的な透過性の特徴によって従来の技術と区別される。層透過性は、他の隣接層から受けた光（透明性）、及び栄養素を隣接層に送る能力であると定義できる。加えて、１つの層にある芽と根は、隣接層を貫通してもよい。これにより、１つの層にある根は、下方向にある隣接層の芽の空間を共有することができる。結果的に、垂直空間の利用効率が高くなる。光透明性の特徴により、人工照明の数、ならびにエネルギー消費量が減少する。
【００３１】
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【００３２】
さらには、多少の収穫増が有ったとしても、１人当たりの需要増で相殺されている。屋外における、太陽と土壌を主体とする農法は効率が低く、制御が欠如しているため、二次元の耕地、水、肥料、農薬に対するとどまることのない需要などの、非効率に使用されている膨大な資源が必要である。
【００３３】
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【００３４】
この実行可能な選択肢は、ゼロコストの太陽エネルギーへの継続的な依存であり、欠点を伴い、効率的に使用されていない膨大な資源を必要とする。加えて、屋外農法の制約は、農業生産者が、環境及び経済的リスク、病原体による予期せぬ作物被害、雑草、干害、洪水、異常な温度変化などに曝されることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
困難な食糧・エネルギー問題及び人類が直面し、矛盾した課題を解決するためには、従来の農業からの革新的な離脱が求められる。従来の農業は、屋外での田畑という環境に制約されている。本制約は、食糧及びエネルギー用のバイオマスを生産する光合成を、ゼロコストである太陽エネルギー、ＣＯ２、水で行っていることによるものである。上述した問題の解決への道は、多くの耕地と水資源を必要とする屋外での土壌を主体とした農業を放棄することである。この新たな手法により、制御不能な栄養素の克服、１，０００倍の水の節約、栽培に不利な条件及び土壌中の病原体の克服など、大きな利益が得られる。
【００３６】
本発明の目的は、従来型の二次元（２Ｄ）屋外農法の代替として、限りない空間である三次元を、土壌を使わず、水を節約して、有利に活用する手段及び方法を教示することである。本発明による三次元農業は、食糧生産に必要な垂直空間を圧縮する道具、システム、方法を教示することで、三次元効率の活用に焦点を当てる。
【００３７】
三次元農法の本発明による教示は、三次元を複数の層（多層）に分割し、各層に栄養素及び栽培に必要な光を供給することができる。前記複数の層は、サブシステムを含むマスター・システムから成る三次元構造で支持され、ここで、サブシステムは特定の植物生物種に対して、水、光、栄養素、ＣＯ２、Ｏ２を最適に供給し、最適な温度調節を行う。
【００３８】
前記複数の層は、相互に連結した非土壌（サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ））成長成分（ＳＧＥ）のストリングから成り、それぞれが、種の発芽、植物の成長、植物への物理的構造的支持及び、水、栄養素、光などの供給、植物環境を感知する機能などの多機能性を有するよう一体的に製造されている。
【００３９】
ＳＧＥのストリングは、第１、第２及び第３空間座標に配置される。これらは、多層構造に支持された一次元ネットワーク、二次元ネットワークまたは三次元ネットワークの形態である。
【００４０】
本発明の一態様は、主食農作物及びバイオ・エネルギーが有利に生産されるような資源利用効率であり、食糧とエネルギーについて、「食糧か、または燃料か」という競争がない。このことは、ストリングネットワークの各ＳＧＥの植物が、光、栄養素、内部の層空間などの資源を共有するという、本明細書に記載されている進歩的な特徴により達成される。これが、本発明の教示する多層透過性である。
【００４１】
本発明の別の態様は、各ＳＧＥとストリングを相互接続し、ストリングの間の空間を光学的に透過性、透明性をもたせ、光が複数の層を貫通して、光を共有し、節約し、効果的に使用することにある。これにより、多くの光源を持つ必要が無くなり、コスト削減になる。
【００４２】
本発明の別の態様は、コストを削減するために、従来の栽培技術の限界を避けることで、主食農作物の生産を経済的に行うことができる。
【００４３】
本発明の別の態様は、植物の根部と茎が空間を共有し、垂直な内部の層空間を節約することにある。これは、１つの層にある植物の根部が、下に位置する層の茎（葉）の空間に進入（共有）する、と言う意味である。
【００４４】
本発明の別の態様は、利用効率最大化とコスト削減を目的とし、水と栄養資源を循環させ、本発明の密封性の特徴とメカニズムを含む、食糧及びエネルギー用植物栽培を行う全密封型システムを提供することにある。例えば、自然に蒸発した水も捕捉し、再利用される。植物栽培環境は、最大の栽培成果を出すために所望の温度と相対湿度で維持される。この結果、水は、従来の屋外農業で浪費されていた水の１００〜１０００倍を再利用して節約される。
【００４５】
本発明の別の態様は、気候による食糧生産の損失を生じさせる予測不可能な気象条件を避けることができる密封型三次元成長システムの恩恵である。密封型三次元成長システムでは、無菌で、病原体が無いので収益性が保証される。
【００４６】
本発明の別の態様は、密封型三次元成長システムでは、外部環境から隔離されるので、上記の環境を保護できることである。これは、実験及び生産用に遺伝子組み換え植物種（ＧＭＯ）を栽培する際には特に有益である。
【００４７】
本発明のさらに他の態様は、灌漑する１つの層、及び該層のＳＧＥストリングから下に位置する複数の層のＳＧＥストリングへ栄養素を移す能力である。この点は、周知の従来技術の水耕、空中栽培と際立った違いを示すユニークな供給メカニズムである。
【００４８】
本発明のさらに他の態様は、太陽光の代わりに人工照明、好ましくは、ＬＥＤを使用することである。具体的には、３０Ｈｚから３００Ｈｚの周波数で、０．１ｍｓから２．５ｍｓの短時間パルス光を植物に照射するＬＥＤ照明である。光の時間的制御により植物生理の酵素反応速度が４〜１０倍高まることを出願者は発見している。
【００４９】
本発明のさらに他の態様は、栽培される植物が均一な照明を受けるための、三次元成長システム内におけるＬＥＤ照明の空間配置の制御である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
以下の図面は、好ましい実施例及び動作原理を示す。ここにおいて、大きさ、スケール、形、簡潔さのために示していない特定の必要コンポーネントの有無に関しては当業者に周知であり、限定的または制限的であることを意図したものではない。
【００５１】
図１Ａ〜図１Ｃは、屋外土壌主体の農法、屋内ＣＥＡ（温室）農法、三次元垂直農法などの従来の農法を示す。図１Ｄ〜１Ｈは、植物が栽培される種々の環境を示し、特に栄養素がどの様に植物の根部に送達されるかを示す。
【００５２】
図２Ａは、植物栽培を維持する保護された環境、ならびに、栽培を制御するプログラムで運転する制御サブシステムを含む、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）屋内農法システムを示す。
【００５３】
図２Ｂ及び図２Ｃは、各層がサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長成分（ＳＧＥ）のストリングのネットワークを含む多層から成る、システム１のより詳しい説明である。グラフは、三次元空間、第１、第２及び第３空間座標での各エレメントの定位を示し、また、ｐｚ、ｐｙ、ｐｚの周期で定期的に繰りかえす方法を示す。
【００５４】
図２Ｄ及び図２Ｅは、ＳＧＥの構成、構造、機能を詳しく示す。
【００５５】
図２Ｆ〜図２Ｋは、ＳＧＥのストリングの相互接続、層の形成、複数のストリングによるネットワーク、三次元成長システム１の形成を示す。
【００５６】
図３Ａ〜図３Ｈは、一体的に製造された単一のＳＧＥを示し、栽培を支える光、栄養素などの資源を共有する隣接との繋がりを示す。
【００５７】
図３Ｉ〜図３Ｍは、色々な角度で植物栽培を行う、一体的に製造されたＳＧＥ及びＳＧＥストリングを示す。
【００５８】
図３Ｎは、ＳＧＥのストリングが、資源供給源と連通した直列及び並列のネットワークの組合せに相互接続する可能性を示す。
【００５９】
図３Ｐは、ＳＧＥを供給源に、及び、隣接するＳＧＥに取り付ける例示的な複数の構造を示す。
【００６０】
図４Ａは、層が共通の光源からの光を共有することができる、光の多層透過性を示す。
【００６１】
図４Ｂ及び図４Ｃは、茎及び根部が隣接層の空間を共有する、多層透過性を示す。
【００６２】
図４Ｄは、共通の供給源から流体で栄養素を植物に送達する、多層透過性を示す。流体は、霧、ミスト、スプレー、流れなどの形態である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
同時係属中のＦＳＡにおいて、人類が直面する問題を解決し、かつ、食糧と植物を主体としたエネルギーの確保を達成する、農業に関する革新的な新パラダイムが実現すると述べた。新パラダイムの重要な特徴は、農法の収支状況の理解にある。これは、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）の公式で達成された。数式（２）を再び記述する。
【００６４】
【数２】
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【００６５】
ＡｇｒｉＰＡＬにより、企業は植物成長システムの収益性、価格を予測し、効率性のボトルネックを見極めることができる。
【００６６】
2014209850.tif 000013
【００６７】
2014209850.tif 000014
【００６８】
2014209850.tif 000015
【００６９】
本発明において、好ましい実施例は、無限の三次元空間での植物栽培に対応する。具体的には、１０メートルから１００メートルの高さの三次元の棚、構造体、またはタワー、さらに好ましくは、１００メートルを超え５００メートルに、さらには、１，０００メートルに達する高さのタワーである。５００メートルを超える高さのビルはすでに存在している。高さが１５０メートル風力発電タワーの建設は経済的に実行可能であることが知られている。
【００７０】
図２Ａは、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１、及び、制御サブシステム１０２を含む、屋内サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）農法システム１００を例示的に示す。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１は、害虫、望ましくない気体、液体、粒子、その他の異物に対して実質的に、不浸透性であるように設計される。好ましくは、前記保護された環境は、栽培に最も適し、かつ、生産性を最大にする所望の温度を維持するために外部温度の変化から充分に隔離され、保護される。
【００７１】
特定の状況では、太陽の放射は、光合成栽培での人工光を補強することがある。このような状況では、紫外線、赤外線、特定の可視波長を含めて、望ましくない太陽の波長を取り除くフィルターをサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１に取付ける。
【００７２】
2014209850.tif 000016
【００７３】
また、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境は、種子／苗の搬入１０５、収穫物の搬出に対応する構造から成る。好ましくは、前記構造は、無菌、または、ほぼ無菌の状態を維持するために、ロードロックなどの適切なシール構造を組込むように設計される。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）棚の不浸透性及び無菌性を達成する手段は、当業者に周知である。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１は、内部に三次元空間に配置された複数のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物培養層を収容する。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物層は、光学的に透明な構造及び材料からできている。これにより、層が吸収されていない光を共有し、再利用することを可能にするので、光エネルギー利用効率を向上させる。
【００７４】
2014209850.tif 000017
【００７５】
１つ以上の相互作用パラメータから成る群は、調整と最適化が同時にされても良い状況がある。例えば、二酸化炭素を、暗反応酵素密度により制限される最適値に調整するには、明反応酵素密度により制限されるまで、光のレベルを調整することが必要となる。最適化の手順は、調整が必要なコントローラ値と繋がれている適切なセンサーにより支援される。
【００７６】
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【００７７】
各ＳＧＥ１は、植物２、茎２ｓ、根部２ｒを収容し、かつ、栄養源３、３ａに接続されている一体的に製造された構造体１ａ、１ｂから成る。栄養素は、カップの形の部分構造体の中の根部に向かって、下方に垂れるか、スプレーする。本発明における１つの重要な態様は、根からの吸収を迂回して、植物の葉から直接吸収されるミクロン大の流体粒子（ドロプレット）を供給する噴霧サブシステム（またはミスト）による、当該分野において周知の葉面施肥と本発明の施肥の組合せである。各ＳＧＥ１は、任意に、かつ、一体的に光源４、及びセンサー５を含む。
【００７８】
また、第１種が根部に１セットの栄養素（第１セット）を供給し、第２種が、異なる栄養素を葉に供給する２種類の噴霧システムも可能である。１種類以上の供給源に加えて、特定の状況では、供給源については順次、または、調整可能な周期と期間で、時間的にパルス状で適用しても良い、と考えられる。
【００７９】
2014209850.tif 000019
【００８０】
2014209850.tif 000020
【００８１】
照明１ｈ、１ｊ及び補助センサー１ｇ、または他の資源は、３空間座標に対して如何なる方向にでも配置される（図２Ｃ〜図２Ｅ）。
【００８２】
図２Ｆに示すように、複数のＳＧＥは、線状のストリング１１１ａのように接続され、そして供給源３に接続する。接続構造は、各サイト１へ高い伝導性で栄養素を送達するように設計される。好ましくは、本構造は、ＳＧＥへの簡易接続ができるように設計されるが、長いストリングを形成できるよう、高速で、安価である、自動手段を備えている。また、本構造は、ストリングにおいて、植物の重さを支える力を備える。図２Ｇは、このストリングの断面図である。
【００８３】
図２Ｈにおいて、ストリング１１１ａ、１１ｂが層１０３に平行に配置されている。図２Ｉの断面図は、ストリングの間の空き空間を有する本発明の重要な特徴を示す。これにより、ストリングの間、及び層の間を貫通する栄養素、光を共有することができる。
【００８４】
さらに、ストリングの相互接続の利点は、２つの層１０３ａ、１０３ｂが垂直に配置され、それぞれが複数のストリングから成る、図２Ｊ及び図２Ｋで強調されている。層１０３ｂの植物が、上部の層１０３ａの空間にあり、図２Ｋの断面図で空間の節約状況を、直ちに認識できる。２つの層の間の空間はｐｚである。手動または自動で、周期ｐｚが植物の成長に応じて変化する異なる実施例を後で示す。
【００８５】
サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長成分（ＳＧＥ）の構造をより具体的に図３Ａ〜図３Ｐで示す。統合多機能という用語は、少なくとも２つの機能を実行するよう一体的に製造され、実質的に永久に取付けられた、少なくとも２つの部分構造体から成る構造と定義する。前記機能の好ましい実施例は、機械的支持、栽培維持、発芽、自給栄養素、自給光、感知環境、最近接との栄養の連通、の群から選択される。
【００８６】
図３ＡのＳＧＥは、成熟するまで機械的にかつ生理学的に根部２ｒ及び茎２ｓの成長を支持する、栽培区画または部分構造体１ａから成る。部分構造体１ａは、開口１ｃを貫通して、栽培部分構造体１ａと連通する流体の中の、結合導管１ｂに一体的に取付けられている。該開口部１ｃを流れる流体１ｄは、流れ１ｆを根部に供給する。導管１ｂの断面図は、図３Ｂに示すように、どの様な形でもよい。
【００８７】
導管１ｂは、着脱自在に少なくとも１つの供給源３に取付けられる。好ましくは、前記アタッチメントは、漏洩を防止するシール機能を有する即時着脱タイプである。供給源３は、最適に植物栽培を維持するために、欠かせない資源、栄養素を提供する。該資源は、少なくとも水と栄養素から成るが、さらに、光ファイバー分野で周知の全内部反射メカニズムや液晶表示分野で周知のバックライト光源により光を伝導し送達する。導管は、センサーから導管１ｂに直接的に統合された局在のＬＥＤに、電気信号または電気を伝導してもよい。
【００８８】
図３Ｃ及び図３Ｄによる導管１ｂは、上述した図２Ｋ及び図２Ｋのストリングを形成するように２つのＳＧＥを接続し、資源３ａを一方のＳＧＥから他方のＳＧＥに送る。前記資源は、流体を含むが、センサー５、５ａから信号を伝導し、ＬＥＤ４にエネルギーを与え局在する植物に照明４ｂを供給する。
【００８９】
図３Ｅ〜図３Ｈに示すように、好ましい実施例でのＳＧＥは、種２を機械的に支持し、かつ、高い発芽率のために最適の環境を作る機能を有する、種支持構造体１ｍを含む。図中の矢印に従い、茎２ａと根部２ｂが伸びはじめ、苗に成長し、最終的に成熟した植物までを示す。これにより、好ましい本実施例に従って、種と成熟した植物の機械的支持、発芽、栄養素の局所的な送達、光の局所的な送達、環境センサー、成熟までの栽培などの多機能性に焦点を当て、ＳＧＥの統合構築の意義が強調される（図３Ｄ）。
【００９０】
また、ＳＧＥの多機能統合構築は、三次元空間利用効率の最大化という重要な役割を担い、各ＳＧＥの局所的な自給自足を強調している。また、図１Ａ〜図１Ｈに関連する、上述した従来の技術での植物栽培法との違いを明白にする。
【００９１】
植物は光の方向に向く性質があるので、成長軸６は層軸１ｊに対して角度６ａをなし、図３Ｉに示すように、如何なる所望の方向に植物を向けても、この性質を有利に利用することができる。他の実施例において、全体のストリング及び平面１０は、水平方向１ｖに対して角度６ｂの方向でもよい（図３Ｊ）。
【００９２】
また、他の実施例において、図３Ｋ〜図３Ｍに示すように、光により決定される所望の方向にＳＧＥを向け、上から下方に、つり下がったストリング１１、１２を形成することも好ましい。
【００９３】
加えて、マスター送達システム（図示せず）から資源１６、１７を受け取る供給構造体１４、１５に取付けられたストリングの直列及び並列の組み合せである図３Ｎに示すネットワーク１３に形成したＳＧＥストリングの相互接続にはシステム最適化の利益がある。本配置の利点は、システム構築の速さと柔軟性の促進、インフラストラクチャーの費用低減、消費可能な利用効率の最大化などである。
【００９４】
一体的に製造された多機能的な自給自足型ＳＧＥは、植物の種類及びシステム設計上の要求にしたがって、複数の所望の構成２０ａ〜２０ｅ（図３Ｐに示す）で、供給構造体、または、ストリング相互接続構造体３に取付けられてもよい。当業者であれば、本発明のＳＧＥネットワークの相互接続性から乖離することなく、他の構造の製造も可能である。
【００９５】
多層透過性
完全任意の三次元多層農法を実現するために、好ましい実施例は、資源利用効率を最大化する手段を含む。これは、照明、栄養素送達サブシステム、支持構造、空間などの資源を共有することにより達成される。図４Ａ〜図４Ｄに示した共有手段は、システム固定費（ｆ）、変動材料費（ｖ）の低減に寄与し、上記ＡｇｒｉＰＡＬの数式（２）に関わる最大利益を確保する。
【００９６】
本発明の透過性の定義は、隣接する透過層の第１群から隣接する透過層の第２群へ資源を貫通させる、少なくとも１つのＳＧＥのストリングから成る、層の能力である。第１及び／または第２群は、資源送達供給源を含む。垂直に配置された層の総数は２から１０であり、より好ましくは、１０から１００であり、さらに好ましくは、１００層を超える。
【００９７】
本発明の透過性の特徴により、水、栄養素、照明、冷却および加熱、その他の共有可能な資源を含む、資源の共有が可能になる。前記資源の共有により、効率的な使用が可能になり、それにより、最終商品のコストが最小化される。三次元収穫量または三次元生産性は、重量を体積で割った単位及び時間単位で測定される。従って、資源共有透過手段は、最短の時間内に、最もコンパクトな三次元空間で、最大の商品重量を生産するように設計される。本手段は、図４Ａ〜図４Ｄに示される。
【００９８】
図４Ａに関して、複数のＳＧＥ１をストリングで繋いだ、少なくとも層３０１、３０２を含む例示的な多層システム３００は、図２Ｇ〜図２Ｋに詳しく示される。層３０１、３０２、接続構造３０１ａ〜３０１ｃ、３０２ａ〜３０２ｃ、並びにＳＧＥ構造は、光源（図示せず）からの光線３０５ａ〜３０５ｄが層３０１、３０２を貫通して隣接層の茎３０３ｓ、３０４ｓを照らし、実質的に、光学的に透明である。層構造の光学的透明性は、少なくともガラス、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンから選択される透明な材料で作ることが可能である。
【００９９】
光透過性を達成する手段により、植物を成長させる少なくとも１つの光原の共有が多層で可能になり、光源の最大効率を実現する。理解されるように、苗は小さく、広い、水平及び垂直空間で分けられている。これらの間の空間が満たされるには数カ月かかる。それまでの間、１つの層で吸収されなかった光は、貫通して、隣接層によって吸収される。結果的に、多くの層を照明するのに少しの光源を使えば済むことになる。これにより、直ちに、光源の初期資本投資を削減することができる。例えば、システムの上部に位置する、ほんの１つの平面型光源で１００層（透過性）のシステムをまかなうことができる。壁に反射システムを付けることで、光の損失は最小化する。
【０１００】
反対に、図１Ｃの従来技術の三次元農法システムでは、各層ごとに１セットの光源を使用することが想定されているので、いかに従来技術が無駄であるかを示唆している。さらに、これにより、本発明の進歩的な透過性の特徴の重要性が確認される。
【０１０１】
また、光源の初期固定費の最小化に加えて、透過層は、消費可能な光エネルギーを効率的に使用するので、生産変動費を低減させる。透過層で吸収されなかった光は、貫通して隣接層に向かい、これらの層の植物により消費される。従来技術の教示では、植物が吸収しなかった光エネルギーは、浪費された資源として回復できない損失であった。
【０１０２】
図４Ｂ及び図４Ｃでは、別のタイプの進歩的な透過性の特徴が示される。これは、隣接層３０６、３０７にある植物の根部や茎の空間に侵入（共有）している、１つの層にある植物の根部３０３ｒ、３０４ｒ、及び茎３０３ｓ、３０４ｓ（茎、枝、葉）に関する。この空間共有により、これまでにない垂直方向の圧縮を達成し、垂直高さ（ｄ）（３０８、３０８ａ）を何分の一に低減することができる。この空間共有がなければ、茎の最大高さに加えて、根部の最大高さが必要となり、システムが垂直方向にコンパクトで無くなる。
【０１０３】
図４Ｄは、吸収されなかった栄養素を隣接層に貫通させる１つの層の能力を示す、別のタイプの透過性を示す。植物の最適な栽培を維持するのに欠かせない栄養素は、少なくとも多層３０１、３０２が占める、空間３０９にある供給源（図示せず）により提供される。例示的な供給源は、間欠的に空間３０９を栄養素で満たす、噴霧システム、スプレイ・システム、滴下システムを含む。栄養素は、葉面施肥または根部への供給により植物に送達される。図２Ｇ〜２Ｋは、各層のＳＧＥのストリングが空き空間分、空間的に分離されているので、栄養素が１つの層から次の層へ回されることができることを示している。本透過性によっても、供給源の数と、その初期コストとを最小化することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
2014209850.tif 000024
【図１Ｅ】
2014209850.tif 000025
【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
2014209850.tif 000027
【図１Ｈ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2014209850.tif 000030
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2014209850.tif 000032
【図２Ｅ】
2014209850.tif 000033
【図２Ｆ】
2014209850.tif 000034
【図２Ｇ】
2014209850.tif 000035
【図２Ｈ】
2014209850.tif 000036
【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
2014209850.tif 000038
【図２Ｋ】
2014209850.tif 000039
【図３Ａ】
2014209850.tif 000040
【図３Ｂ】
2014209850.tif 000041
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
2014209850.tif 000045
【図３Ｇ】
2014209850.tif 000046
【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図３Ｋ】
2014209850.tif 000050
【図３Ｌ】
2014209850.tif 000051
【図３Ｍ】
2014209850.tif 000052
【図３Ｎ】
2014209850.tif 000053
【図３Ｐ】
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【図４Ａ】
2014209850.tif 000055
【図４Ｂ】
2014209850.tif 000056
【図４Ｃ】
2014209850.tif 000057
【図４Ｄ】
2014209850.tif 000058
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月15日(2014.5.15)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、農業、園芸、農学及び食糧の農業経済学、エネルギー、その他の有機体物質の分野に関する。具体的には、植物、収穫量、光合成エネルギー変換効率の最適化、並びに、時間、空間、水、栄養素を含めた他の資源の利用効率に関する。さらに具体的には、本発明は、太陽エネルギーまたは土壌に依存せずに実施する、屋内三次元（３Ｄ）環境制御農法、空間、垂直農法に関する。また、植物の成長を維持する複数の層から成る三次元農業システムに関する。より具体的には、各層が水、栄養素、光、隣接層からの芽と根を貫通させるという意味で、複数の層は透過性がある。
【背景技術】
【０００２】
同時係属中の特許出願「食糧及びエネルギー生産のためのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）（非土俵：Ｓｏｉｌ−ｌｅｓｓ）屋内農法」の全体が、本明細書に参考として援用される。従来の土壌を主体とした農業の限界及び欠点について詳しく述べている、本出願は、以後、「最初のサンソイル出願（ｔｈｅ  Ｆｉｒｓｔ  ＳａｎＳＳｏｉｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）」または「ＦＳＡ」と言う。本出願では、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）、新規植物成長モデル（ＰＧＭ）に基づく代替的非土壌三次元多層農法に関する進歩的な教示を提示した。
【０００３】
総じて、ＡｇｒｉＰＡＬ及びＰＧＭは、科学的原則に基づく数学的分析基礎を初めて発表しているが、光合成の働きを示し、収穫量、エネルギー効率、農業収益性の予測式を提示した。これらは、今日まで植物科学者及び農学者が捉えることができず、困惑させていた謎を解明した。かつ、太陽利得、及び資源利用効率の評価手段で収集された極めて高い生理学的利得の概念を明らかにした。これらの利得により、収穫量と効率が１０倍以上も上昇し、アプローチの経路は１００倍になる。
【０００４】
ＦＳＡは、本出願及び後続関連の出願で提示されている多くの進歩的な発明に寄与している。したがって、本出願は、ＦＳＡの背景、数式、教示に大きく依拠している。
【０００５】
世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能であろうか。
栄養状態の改善と併せて、健康科学と技術の発展により、幼児死亡をほとんど根絶する道ができた一方で、平均寿命が８０才を超えようとしている。その結果として、世界人口が２０５０年までに、少なくとも９０億人になると予測されている。このように予測される人口規模は、我々の地球が抱える最大の課題として、長年、認識されているが、食糧、エネルギー、土地、水などの限られている資源を圧迫し、かつ、質の高い生活とライフスタイルを獲得し維持するために厳しい競争と対立を助長している。
【０００６】
本課題は、近年、２００９年１０月１２〜１３日にローマで開催された「２０５０年の世界の食糧問題」と題するハイレベル・エクスパート・フォーラムの成果を発表した国際連合食糧農業機関（ＦＡＯ）により強調されている。さらに、二酸化炭素ならびに地球変動研究センターが発行しているＣＯ２−Ｓｃｉｅｎｃｅ（発行、２０１１年６月１５日）の「２０５０年の世界の食糧生産予測：世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能か。」と題する論文の中で、Ｃ．Ｄ．Ｉｄｓｏ博士は、本課題を強調した。
【０００７】
ＦＡＯもＩｄｓｏ博士も、次の憂慮すべき点で合意している。それは、１人当たりの世界の食糧生産、耕地、水資源、主食農作物の農産物の圃場収穫量の大幅な減少である。破滅的な結末を避けるために、両者は、食糧生産技術、システム、方法の急激なパラダイム・シフトの必要性を指摘している。現在の食糧の需給ギャップでは、世界の多くの地域で飢餓、栄養不良、餓死が起こる荒廃的な結果が継続する。ＦＡＯによると、２０１２年は１０億人が飢餓状態である。２０５０年の９０億人の人口では、このギャップがさらに拡大することが予想される。世界の多くの地域の飢餓に加えて、地政学的な不安定さによって、人類の福祉に計り知れないほどの悪影響を及ぼすだろう。
【０００８】
さらに、これらの課題は、以下の３つの矛盾に現れている。
矛盾  Ｎｏ．１：食糧  ｖｓ．  二酸化炭素低減
多くの人々は、二酸化炭素の排出が地球温暖化を引き起こしていると憂慮している。そのような人々は化石燃料の使用削減に取組み、ＣＯ２の削減を主張し、政府に要求している。人々は政府を動かす影響力を持っており、世界中でＣＯ２を増やす資源の使用を抑制する法律が施行されている。しかしながら、これは、第一優先順位である生命を維持し世界の人々に食糧を供給するニーズと直接的に矛盾するものである。現在、１０億人の飢餓が緊急の問題であり、２０５０年には３０〜４０億人に膨れ上がる。「地球温暖化」を心配するグループが、疑わしい光合成モデルを使用し、２１００年の人類の悲惨な結末を予想する一方、植物性食物効率が０．５％未満（表１）である理由を理解するのに同じモデルを使用できないのは矛盾である。完全で正確な理解があれば、ＣＯ２が多いほど熱をよく吸収すると同時に、食糧とバイオ燃料が緊急に必要な現状に対応できることがわかるだろう。要するに、ＣＯ２は食糧と生命の主要な成分である（生物には炭化水素が重要である）。
【０００９】
矛盾  Ｎｏ．２：食糧  ｖｓ．燃料
脱地球温暖化によって生じた直接的な結果は、バイオマス由来のＣＯ２排出ゼロの輸送用燃料、バイオ燃料を生産する、米国、ＥＵ、及び他の国が課した規制である。これにより、世界の人口を養うことを最優先にした場合、さらに、第２の矛盾が生じている。食糧生産に今まで向けられていた希少な資源、例えば、耕地、水、種子、肥料、除草剤、農機具を別の方向へ向けるバイオ燃料は、問題を悪化させるのではないかと多くの人々が心配する。その結果として起こる食糧及びエネルギー価格の圧力により、地球上の恵まれない多くの人々の栄養格差問題の解決がより難しくなるであろう。そのような人々の数は増えると心配されている。また、食糧とエネルギーの確保の両立にも矛盾が存在する。
【００１０】
矛盾  Ｎｏ．３：食糧  ｖｓ．森林
表１に示したように、植物科学者及び農学者は、効率測定値は０．５％未満であると同意するが、損失の発生源である、９９．５％未満の損失を充分に説明できていない。この損失を十分に説明することが、それを最小化する進歩的な方法の鍵である。
【００１１】
植物は、炭水化物、糖類、デンプン、セルロース、タンパク質類の分子結合エネルギーの形態で太陽エネルギーを蓄える。一般的に入手可能な主食農作物（砂糖類、穀物、豆類、葉物野菜、ポテト、ヤムイモ、キャッサバなどのイモ類）を経済的に生産するにあたり、従来の農法は、太陽エネルギーがゼロ・コスト（ＺＣＯＥ）であることに依存している。これにより、太陽の放射が単位面積（ヘクタール、エーカー、平方メートル）当たりワット単位で送達されるので、屋外での耕作、つまり、二次元的な土地での耕作を行うことになる。
【００１２】
ＺＣＯＥに依存する限り、従来の農業経営は０．１〜０．５％の効率を受け入れざるを得ない（表１）。効率がこのような低率になる要素の１つは、植物の成長を支える土壌ならびに容易に制御できない土壌由来の栄養素を使用する必要があるからである。制御が出来ない場合、土壌は不利益であり、利点ではない。新種を生産する場合の育種家の主な懸念事項は、特定の環境（地形）と土壌ミネラル組成物である。全て適合する１つの最適種を生産するよりも、市場のニーズに出来る限り対応するために、多くの成長品種生産をする必要が生じている。そうはいっても、生産コストの制約から妥協が必要である。これが、制御不可能な屋外での土壌を主体とした農業の現状である。
【００１３】
従って、ＺＣＯＥに依存すると、生産者、食物生産企業は制限され、制御を行うことができない。一方、このことにより、二次元の耕地、水、肥料、農薬等の充分に使用されていない膨大な資源が必要とされてきた。１８００年代の１０億人から現在の７０億人という人口増加に対応するために、急速な森林伐採が行われた。地球規模で、森林伐採による地球温暖化に悪影響を与えるのを恐れ、政府は法律と規則を制定して森林伐採による農地の増加を制限している。これが、世界の人々に食糧を供給することとエネルギー確保との両立における第３の矛盾である。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
農法の収益性及び経済的実行可能性、ＡｇｒｉＰＡＬ
同時係属中のＦＳＡにおいて、農業の収益性を確保する法則、ＡｇｒｉＰＡＬの公式を提示し、広範囲にわたって考察した。ここに数式（２）を記述する。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
ＡｇｒｉＰＡＬにより、企業は植物成長システムの収益性、価格を予測し、効率性のボトルネックを見極めることができる。
【００１８】
2014209850.tif 000061
【００１９】
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【００２０】
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【００２１】
当該分野では公知であるように、農業は、食糧生産の不可欠な要素：ｉ）太陽、ｉｉ）二次元の田畑、つまり、植物の成長を力学的に生理学的に支持する土壌によって覆われたエリア、ｉｉｉ）灌漑用の水資源、ならびに栄養素を含む、図１Ａに示すような形で一般的に行われる。これを、一般にゼロコストで得られる適度の量の太陽、水、栄養素を備えた耕地という。補完的な栄養素または肥料を加えたとしても、相対的に低コストである。ＦＳＡ記載のＡｇｒｉＰＡＬで示したように、この形態の農法は、主要な栄養素が低コストまたはゼロコストであったので収益が上がっていた。
【００２２】
近年、屋内の制御環境での農業（ＣＥＡ）の導入が増えてきている。例示的な従来の技術として参考になるのは、米国特許第３，９３１，６９５号であり、ＣＥＡについての説明がなされている。ＣＥＡでは、成長エリアは保護されているので、多くの成長パラメータの制御を可能にし、これにより、高収穫量で高い資源利用効率を達成している。土壌を使用しない水耕または空中成長での栄養素送達農法が増え、多くの植物栽培の経済的実行可能性を高めた。図１Ｂは、温室と呼ばれる、ＣＥＡの要素を示す。直射日光の照度を使用した場合、ＣＥＡは、天候、及び農薬、栄養素、水の管理から保護という付加的利益を有する従来の保護された農法と同じである。温度を調節する場合は、収穫量を上げて、一年を通して繰り返して栽培できる。人工照明を使用する場合は、栽培時間を一日あたり２４時間まで延ばすことが可能となる。
【００２３】
本農法の受け入れが進むにつれ、特定の高付加価値の植物にも経済的実行可能性があることをＡｇｒｉＰＡＬが示した。暖房または冷房の付加的なエネルギー消費、さらには、付加的なインフラのコストが発生するため、屋内農法では、節約して（有利に）、主食農作物またはバイオ燃料を生産することはできない。ＦＳＡの目的及び本発明は、主食農作物についても屋内農法が実行可能性を示すことが進歩的な態様である。
【００２４】
最近では、Ｖａｎ  Ｇｅｍｅｒｅｔらが、米国特許第２０１１／０２５２７０５号、２０１１年１０月２０日において、図１Ｃに示した三次元農法システムを教示した。本システムは垂直に多くの棚を積み上げ、図１Ｂの温室に似ているが、層が何層にもなっている。本垂直農法の概念の顕著な特徴は、ｉ）単位面積当たりの高い生産性；ｉｉ）各層の植物は隣接層の植物と独立；ｉｉｉ）各層の資源（光、栄養素）は直接的に共有しない；ｉｖ）人工の光照明だけの使用に限定；ｖ）各層の天井高  ｈ  により、システムの単位高さ当たりの生産性が低効率である。経済的実行可能性は、チューリップ、切り花などの高付加価値商品に限定される。後に詳しく示すように、本発明は、光と栄養素を共有するように結合したネットワークストリングがある栽培層を使用することで、これらの制限に対処することで、栽培に必要な垂直高さを５から５０の係数だけ圧縮する。
【００２５】
2014209850.tif 000064
【００２６】
図１Ｄ〜図１Ｈは、太陽５１で植物５３が照射される、個別の環境、（要素）５０ａ〜５０ｅを有する従来の技術に基づく植物栽培方法を示す。それらを区別しているのは、栽培培地のタイプ、機械的支持に対する植物、植物に栄養素を送達する方法である。要素５０ａ、５０ｂ、５０ｅの場合、土壌が植物を支持し、栄養素を直接、土壌に送達し、それを植物の根が吸収している。
【００２７】
要素５０ｃの場合、１つ以上の植物を栽培するのに、機械的構造体５４（容器）を含めて、当技術分野において周知の水耕栽培が使用されている。容器には、間欠的に（または、連続的に）栄養素５５を満たし、多孔質の根部支持構造体５２ａを通して植物は栄養素を吸収する。この根部支持構造体は土壌に代わるものである。
【００２８】
また、当技術分野において周知の空中栽培５０ｄでは、植物支持構造体５６を貫通して根が底部空間５７ｃに到達し、根はノズル５７により直接、スプレーされる。本方法では、根が周囲酸素と直接接触するので、土壌、及び、水耕システムでの収穫量よりも高い結果を出すことが知られている。本方法は、垂直方向空間利用効率の低さ及びノズルの目詰まりなど大きな欠点がある。全ての従来技術では、根部は複数の異なる物理的に分離したコンポーネント（統合コンポーネントではなく、個別のコンポーネント）により栄養が与えられる。また、これらの要素の全てが、底部から間接的に根部に栄養を与える。
【００２９】
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【００３０】
さらに、多層三次元システムを形成する、ストリングのネットワークは、多層における進歩的な透過性の特徴によって従来の技術と区別される。層透過性は、他の隣接層から受けた光（透明性）、及び栄養素を隣接層に送る能力であると定義できる。加えて、１つの層にある芽と根は、隣接層を貫通してもよい。これにより、１つの層にある根は、下方向にある隣接層の芽の空間を共有することができる。結果的に、垂直空間の利用効率が高くなる。光透明性の特徴により、人工照明の数、ならびにエネルギー消費量が減少する。
【００３１】
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【００３２】
さらには、多少の収穫増が有ったとしても、１人当たりの需要増で相殺されている。屋外における、太陽と土壌を主体とする農法は効率が低く、制御が欠如しているため、二次元の耕地、水、肥料、農薬に対するとどまることのない需要などの、非効率に使用されている膨大な資源が必要である。
【００３３】
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【００３４】
この実行可能な選択肢は、ゼロコストの太陽エネルギーへの継続的な依存であり、欠点を伴い、効率的に使用されていない膨大な資源を必要とする。加えて、屋外農法の制約は、農業生産者が、環境及び経済的リスク、病原体による予期せぬ作物被害、雑草、干害、洪水、異常な温度変化などに曝されることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
困難な食糧・エネルギー問題及び人類が直面し、矛盾した課題を解決するためには、従来の農業からの革新的な離脱が求められる。従来の農業は、屋外での田畑という環境に制約されている。本制約は、食糧及びエネルギー用のバイオマスを生産する光合成を、ゼロコストである太陽エネルギー、ＣＯ２、水で行っていることによるものである。上述した問題の解決への道は、多くの耕地と水資源を必要とする屋外での土壌を主体とした農業を放棄することである。この新たな手法により、制御不能な栄養素の克服、１，０００倍の水の節約、栽培に不利な条件及び土壌中の病原体の克服など、大きな利益が得られる。
【００３６】
本発明の目的は、従来型の二次元（２Ｄ）屋外農法の代替として、限りない空間である三次元を、土壌を使わず、水を節約して、有利に活用する手段及び方法を教示することである。本発明による三次元農業は、食糧生産に必要な垂直空間を圧縮する道具、システム、方法を教示することで、三次元効率の活用に焦点を当てる。
【００３７】
三次元農法の本発明による教示は、三次元を複数の層（多層）に分割し、各層に栄養素及び栽培に必要な光を供給することができる。前記複数の層は、サブシステムを含むマスター・システムから成る三次元構造で支持され、ここで、サブシステムは特定の植物生物種に対して、水、光、栄養素、ＣＯ２、Ｏ２を最適に供給し、最適な温度調節を行う。
【００３８】
前記複数の層は、相互に連結した非土壌（サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ））成長成分（ＳＧＥ）のストリングから成り、それぞれが、種の発芽、植物の成長、植物への物理的構造的支持及び、水、栄養素、光などの供給、植物環境を感知する機能などの多機能性を有するよう一体的に製造されている。
【００３９】
ＳＧＥのストリングは、第１、第２及び第３空間座標に配置される。これらは、多層構造に支持された一次元ネットワーク、二次元ネットワークまたは三次元ネットワークの形態である。
【００４０】
本発明の一態様は、主食農作物及びバイオ・エネルギーが有利に生産されるような資源利用効率であり、食糧とエネルギーについて、「食糧か、または燃料か」という競争がない。このことは、ストリングネットワークの各ＳＧＥの植物が、光、栄養素、内部の層空間などの資源を共有するという、本明細書に記載されている進歩的な特徴により達成される。これが、本発明の教示する多層透過性である。
【００４１】
本発明の別の態様は、各ＳＧＥとストリングを相互接続し、ストリングの間の空間を光学的に透過性、透明性をもたせ、光が複数の層を貫通して、光を共有し、節約し、効果的に使用することにある。これにより、多くの光源を持つ必要が無くなり、コスト削減になる。
【００４２】
本発明の別の態様は、コストを削減するために、従来の栽培技術の限界を避けることで、主食農作物の生産を経済的に行うことができる。
【００４３】
本発明の別の態様は、植物の根部と茎が空間を共有し、垂直な内部の層空間を節約することにある。これは、１つの層にある植物の根部が、下に位置する層の茎（葉）の空間に進入（共有）する、と言う意味である。
【００４４】
本発明の別の態様は、利用効率最大化とコスト削減を目的とし、水と栄養資源を循環させ、本発明の密封性の特徴とメカニズムを含む、食糧及びエネルギー用植物栽培を行う全密封型システムを提供することにある。例えば、自然に蒸発した水も捕捉し、再利用される。植物栽培環境は、最大の栽培成果を出すために所望の温度と相対湿度で維持される。この結果、水は、従来の屋外農業で浪費されていた水の１００〜１０００倍を再利用して節約される。
【００４５】
本発明の別の態様は、気候による食糧生産の損失を生じさせる予測不可能な気象条件を避けることができる密封型三次元成長システムの恩恵である。密封型三次元成長システムでは、無菌で、病原体が無いので収益性が保証される。
【００４６】
本発明の別の態様は、密封型三次元成長システムでは、外部環境から隔離されるので、上記の環境を保護できることである。これは、実験及び生産用に遺伝子組み換え植物種（ＧＭＯ）を栽培する際には特に有益である。
【００４７】
本発明のさらに他の態様は、灌漑する１つの層、及び該層のＳＧＥストリングから下に位置する複数の層のＳＧＥストリングへ栄養素を移す能力である。この点は、周知の従来技術の水耕、空中栽培と際立った違いを示すユニークな供給メカニズムである。
【００４８】
本発明のさらに他の態様は、太陽光の代わりに人工照明、好ましくは、ＬＥＤを使用することである。具体的には、３０Ｈｚから３００Ｈｚの周波数で、０．１ｍｓから２．５ｍｓの短時間パルス光を植物に照射するＬＥＤ照明である。光の時間的制御により植物生理の酵素反応速度が４〜１０倍高まることを出願者は発見している。
【００４９】
本発明のさらに他の態様は、栽培される植物が均一な照明を受けるための、三次元成長システム内におけるＬＥＤ照明の空間配置の制御である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
以下の図面は、好ましい実施例及び動作原理を示す。ここにおいて、大きさ、スケール、形、簡潔さのために示していない特定の必要コンポーネントの有無に関しては当業者に周知であり、限定的または制限的であることを意図したものではない。
【００５１】
図１Ａ〜図１Ｃは、屋外土壌主体の農法、屋内ＣＥＡ（温室）農法、三次元垂直農法などの従来の農法を示す。図１Ｄ〜１Ｈは、植物が栽培される種々の環境を示し、特に栄養素がどの様に植物の根部に送達されるかを示す。
【００５２】
図２Ａは、植物栽培を維持する保護された環境、ならびに、栽培を制御するプログラムで運転する制御サブシステムを含む、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）屋内農法システムを示す。
【００５３】
図２Ｂ及び図２Ｃは、各層がサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長成分（ＳＧＥ）のストリングのネットワークを含む多層から成る、システム１のより詳しい説明である。グラフは、三次元空間、第１、第２及び第３空間座標での各エレメントの定位を示し、また、ｐｘ、ｐｙ、ｐｚの周期で定期的に繰りかえす方法を示す。
【００５４】
図２Ｄ及び図２Ｅは、ＳＧＥの構成、構造、機能を詳しく示す。
【００５５】
図２Ｆ〜図２Ｋは、ＳＧＥのストリングの相互接続、層の形成、複数のストリングによるネットワーク、三次元成長システム１の形成を示す。
【００５６】
図３Ａ〜図３Ｈは、一体的に製造された単一のＳＧＥを示し、栽培を支える光、栄養素などの資源を共有する隣接との繋がりを示す。
【００５７】
図３Ｉ〜図３Ｍは、色々な角度で植物栽培を行う、一体的に製造されたＳＧＥ及びＳＧＥストリングを示す。
【００５８】
図３Ｎは、ＳＧＥのストリングが、資源供給源と連通した直列及び並列のネットワークの組合せに相互接続する可能性を示す。
【００５９】
図３Ｐは、ＳＧＥを供給源に、及び、隣接するＳＧＥに取り付ける例示的な複数の構造を示す。
【００６０】
図４Ａは、層が共通の光源からの光を共有することができる、光の多層透過性を示す。
【００６１】
図４Ｂ及び図４Ｃは、茎及び根部が隣接層の空間を共有する、多層透過性を示す。
【００６２】
図４Ｄは、共通の供給源から流体で栄養素を植物に送達する、多層透過性を示す。流体は、霧、ミスト、スプレー、流れなどの形態である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
同時係属中のＦＳＡにおいて、人類が直面する問題を解決し、かつ、食糧と植物を主体としたエネルギーの確保を達成する、農業に関する革新的な新パラダイムが実現すると述べた。新パラダイムの重要な特徴は、農法の収支状況の理解にある。これは、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）の公式で達成された。数式（２）を再び記述する。
【００６４】
【数２】
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【００６５】
ＡｇｒｉＰＡＬにより、企業は植物成長システムの収益性、価格を予測し、効率性のボトルネックを見極めることができる。
【００６６】
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【００６７】
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【００６８】
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【００６９】
本発明において、好ましい実施例は、無限の三次元空間での植物栽培に対応する。具体的には、１０メートルから１００メートルの高さの三次元の棚、構造体、またはタワー、さらに好ましくは、１００メートルを超え５００メートルに、さらには、１，０００メートルに達する高さのタワーである。５００メートルを超える高さのビルはすでに存在している。高さが１５０メートル風力発電タワーの建設は経済的に実行可能であることが知られている。
【００７０】
図２Ａは、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１、及び、制御サブシステム１０２を含む、屋内サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）農法システム１００を例示的に示す。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１は、害虫、望ましくない気体、液体、粒子、その他の異物に対して実質的に、不浸透性であるように設計される。好ましくは、前記保護された環境は、栽培に最も適し、かつ、生産性を最大にする所望の温度を維持するために外部温度の変化から充分に隔離され、保護される。
【００７１】
特定の状況では、太陽の放射は、光合成栽培での人工光を補強することがある。このような状況では、紫外線、赤外線、特定の可視波長を含めて、望ましくない太陽の波長を取り除くフィルターをサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１に取付ける。
【００７２】
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【００７３】
また、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境は、種子／苗の搬入１０５、収穫物の搬出に対応する構造から成る。好ましくは、前記構造は、無菌、または、ほぼ無菌の状態を維持するために、ロードロックなどの適切なシール構造を組込むように設計される。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）棚の不浸透性及び無菌性を達成する手段は、当業者に周知である。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１は、内部に三次元空間に配置された複数のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物培養層を収容する。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物層は、光学的に透明な構造及び材料からできている。これにより、層が吸収されていない光を共有し、再利用することを可能にするので、光エネルギー利用効率を向上させる。
【００７４】
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【００７５】
１つ以上の相互作用パラメータから成る群は、調整と最適化が同時にされても良い状況がある。例えば、二酸化炭素を、暗反応酵素密度により制限される最適値に調整するには、明反応酵素密度により制限されるまで、光のレベルを調整することが必要となる。最適化の手順は、調整が必要なコントローラ値と繋がれている適切なセンサーにより支援される。
【００７６】
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【００７７】
各ＳＧＥ１は、植物２、茎２ｓ、根部２ｒを収容し、かつ、栄養源３、３ａに接続されている一体的に製造された構造体１ａ、１ｂから成る。栄養素は、カップの形の部分構造体の中の根部に向かって、下方に垂れるか、スプレーする。本発明における１つの重要な態様は、根からの吸収を迂回して、植物の葉から直接吸収されるミクロン大の流体粒子（ドロプレット）を供給する噴霧サブシステム（またはミスト）による、当該分野において周知の葉面施肥と本発明の施肥の組合せである。各ＳＧＥ１は、任意に、かつ、一体的に光源４、及びセンサー５を含む。
【００７８】
また、第１種が根部に１セットの栄養素（第１セット）を供給し、第２種が、異なる栄養素を葉に供給する２種類の噴霧システムも可能である。１種類以上の供給源に加えて、特定の状況では、供給源については順次、または、調整可能な周期と期間で、時間的にパルス状で適用しても良い、と考えられる。
【００７９】
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【００８０】
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【００８１】
照明１ｈ、１ｊ及び補助センサー１ｇ、または他の資源は、３空間座標に対して如何なる方向にでも配置される（図２Ｃ〜図２Ｅ）。
【００８２】
図２Ｆに示すように、複数のＳＧＥは、線状のストリング１１１ａのように接続され、そして供給源３に接続する。接続構造は、各サイト１へ高い伝導性で栄養素を送達するように設計される。好ましくは、本構造は、ＳＧＥへの簡易接続ができるように設計されるが、長いストリングを形成できるよう、高速で、安価である、自動手段を備えている。また、本構造は、ストリングにおいて、植物の重さを支える力を備える。図２Ｇは、このストリングの断面図である。
【００８３】
図２Ｈにおいて、ストリング１１１ａ、１１１ｂが層１０３に平行に配置されている。図２Ｉの断面図は、ストリングの間の空き空間を有する本発明の重要な特徴を示す。これにより、ストリングの間、及び層の間を貫通する栄養素、光を共有することができる。
【００８４】
さらに、ストリングの相互接続の利点は、２つの層１０３ａ、１０３ｂが垂直に配置され、それぞれが複数のストリングから成る、図２Ｊ及び図２Ｋで強調されている。層１０３ｂの植物が、上部の層１０３ａの空間にあり、図２Ｋの断面図で空間の節約状況を、直ちに認識できる。２つの層の間の空間はｐｚである。手動または自動で、周期ｐｚが植物の成長に応じて変化する異なる実施例を後で示す。
【００８５】
サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長成分（ＳＧＥ）の構造をより具体的に図３Ａ〜図３Ｐで示す。統合多機能という用語は、少なくとも２つの機能を実行するよう一体的に製造され、実質的に永久に取付けられた、少なくとも２つの部分構造体から成る構造と定義する。前記機能の好ましい実施例は、機械的支持、栽培維持、発芽、自給栄養素、自給光、感知環境、最近接との栄養の連通、の群から選択される。
【００８６】
図３ＡのＳＧＥは、成熟するまで機械的にかつ生理学的に根部２ｒ及び茎２ｓの成長を支持する、栽培区画または部分構造体１ａから成る。部分構造体１ａは、開口１ｃを貫通して、栽培部分構造体１ａと連通する流体の中の、結合導管１ｂに一体的に取付けられている。該開口部１ｃを流れる流体１ｄは、流れ１ｆを根部に供給する。導管１ｂの断面図は、図３Ｂに示すように、どの様な形でもよい。
【００８７】
導管１ｂは、着脱自在に少なくとも１つの供給源３に取付けられる。好ましくは、前記アタッチメントは、漏洩を防止するシール機能を有する即時着脱タイプである。供給源３は、最適に植物栽培を維持するために、欠かせない資源、栄養素を提供する。該資源は、少なくとも水と栄養素から成るが、さらに、光ファイバー分野で周知の全内部反射メカニズムや液晶表示分野で周知のバックライト光源により光を伝導し送達する。導管は、センサーから導管１ｂに直接的に統合された局在のＬＥＤに、電気信号または電気を伝導してもよい。
【００８８】
図３Ｃ及び図３Ｄによる導管１ｂは、上述した図２Ｊ及び図２Ｋのストリングを形成するように２つのＳＧＥを接続し、資源３ａを一方のＳＧＥから他方のＳＧＥに送る。前記資源は、流体を含むが、センサー５、５ａから信号を伝導し、ＬＥＤ４にエネルギーを与え局在する植物に照明４ｂを供給する。
【００８９】
図３Ｅ〜図３Ｈに示すように、好ましい実施例でのＳＧＥは、種２を機械的に支持し、かつ、高い発芽率のために最適の環境を作る機能を有する、種支持構造体１ｍを含む。図中の矢印に従い、茎２ａと根部２ｂが伸びはじめ、苗に成長し、最終的に成熟した植物までを示す。これにより、好ましい本実施例に従って、種と成熟した植物の機械的支持、発芽、栄養素の局所的な送達、光の局所的な送達、環境センサー、成熟までの栽培などの多機能性に焦点を当て、ＳＧＥの統合構築の意義が強調される（図３Ｄ）。
【００９０】
また、ＳＧＥの多機能統合構築は、三次元空間利用効率の最大化という重要な役割を担い、各ＳＧＥの局所的な自給自足を強調している。また、図１Ａ〜図１Ｈに関連する、上述した従来の技術での植物栽培法との違いを明白にする。
【００９１】
植物は光の方向に向く性質があるので、成長軸６は層軸１ｊに対して角度６ａをなし、図３Ｉに示すように、如何なる所望の方向に植物を向けても、この性質を有利に利用することができる。他の実施例において、全体のストリング及び平面１０は、水平方向１ｖに対して角度６ｂの方向でもよい（図３Ｊ）。
【００９２】
また、他の実施例において、図３Ｋ〜図３Ｍに示すように、光により決定される所望の方向にＳＧＥを向け、上から下方に、つり下がったストリング１１、１２を形成することも好ましい。
【００９３】
加えて、マスター送達システム（図示せず）から資源１６、１７を受け取る供給構造体１４、１５に取付けられたストリングの直列及び並列の組み合せである図３Ｎに示すネットワーク１３に形成したＳＧＥストリングの相互接続にはシステム最適化の利益がある。本配置の利点は、システム構築の速さと柔軟性の促進、インフラストラクチャーの費用低減、消費可能な利用効率の最大化などである。
【００９４】
一体的に製造された多機能的な自給自足型ＳＧＥは、植物の種類及びシステム設計上の要求にしたがって、複数の所望の構成２０ａ〜２０ｅ（図３Ｐに示す）で、供給構造体、または、ストリング相互接続構造体３に取付けられてもよい。当業者であれば、本発明のＳＧＥネットワークの相互接続性から乖離することなく、他の構造の製造も可能である。
【００９５】
多層透過性
完全任意の三次元多層農法を実現するために、好ましい実施例は、資源利用効率を最大化する手段を含む。これは、照明、栄養素送達サブシステム、支持構造、空間などの資源を共有することにより達成される。図４Ａ〜図４Ｄに示した共有手段は、システム固定費（ｆ）、変動材料費（ｖ）の低減に寄与し、上記ＡｇｒｉＰＡＬの数式（２）に関わる最大利益を確保する。
【００９６】
本発明の透過性の定義は、隣接する透過層の第１群から隣接する透過層の第２群へ資源を貫通させる、少なくとも１つのＳＧＥのストリングから成る、層の能力である。第１及び／または第２群は、資源送達供給源を含む。垂直に配置された層の総数は２から１０であり、より好ましくは、１０から１００であり、さらに好ましくは、１００層を超える。
【００９７】
本発明の透過性の特徴により、水、栄養素、照明、冷却および加熱、その他の共有可能な資源を含む、資源の共有が可能になる。前記資源の共有により、効率的な使用が可能になり、それにより、最終商品のコストが最小化される。三次元収穫量または三次元生産性は、重量を体積で割った単位及び時間単位で測定される。従って、資源共有透過手段は、最短の時間内に、最もコンパクトな三次元空間で、最大の商品重量を生産するように設計される。本手段は、図４Ａ〜図４Ｄに示される。
【００９８】
図４Ａに関して、複数のＳＧＥ１をストリングで繋いだ、少なくとも層３０１、３０２を含む例示的な多層システム３００は、図２Ｇ〜図２Ｋに詳しく示される。層３０１、３０２、接続構造３０１ａ〜３０１ｃ、３０２ａ〜３０２ｃ、並びにＳＧＥ構造は、光源（図示せず）からの光線３０５ａ〜３０５ｄが層３０１、３０２を貫通して隣接層の茎３０３ｓ、３０４ｓを照らし、実質的に、光学的に透明である。層構造の光学的透明性は、少なくともガラス、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンから選択される透明な材料で作ることが可能である。
【００９９】
光透過性を達成する手段により、植物を成長させる少なくとも１つの光原の共有が多層で可能になり、光源の最大効率を実現する。理解されるように、苗は小さく、広い、水平及び垂直空間で分けられている。これらの間の空間が満たされるには数カ月かかる。それまでの間、１つの層で吸収されなかった光は、貫通して、隣接層によって吸収される。結果的に、多くの層を照明するのに少しの光源を使えば済むことになる。これにより、直ちに、光源の初期資本投資を削減することができる。例えば、システムの上部に位置する、ほんの１つの平面型光源で１００層（透過性）のシステムをまかなうことができる。壁に反射システムを付けることで、光の損失は最小化する。
【０１００】
反対に、図１Ｃの従来技術の三次元農法システムでは、各層ごとに１セットの光源を使用することが想定されているので、いかに従来技術が無駄であるかを示唆している。さらに、これにより、本発明の進歩的な透過性の特徴の重要性が確認される。
【０１０１】
また、光源の初期固定費の最小化に加えて、透過層は、消費可能な光エネルギーを効率的に使用するので、生産変動費を低減させる。透過層で吸収されなかった光は、貫通して隣接層に向かい、これらの層の植物により消費される。従来技術の教示では、植物が吸収しなかった光エネルギーは、浪費された資源として回復できない損失であった。
【０１０２】
図４Ｂ及び図４Ｃでは、別のタイプの進歩的な透過性の特徴が示される。これは、隣接層３０６、３０７にある植物の根部や茎の空間に侵入（共有）している、１つの層にある植物の根部３０３ｒ、３０４ｒ、及び茎３０３ｓ、３０４ｓ（茎、枝、葉）に関する。この空間共有により、これまでにない垂直方向の圧縮を達成し、垂直高さ（ｄ）（３０８、３０８ａ）を何分の一に低減することができる。この空間共有がなければ、茎の最大高さに加えて、根部の最大高さが必要となり、システムが垂直方向にコンパクトで無くなる。
【０１０３】
図４Ｄは、吸収されなかった栄養素を隣接層に貫通させる１つの層の能力を示す、別のタイプの透過性を示す。植物の最適な栽培を維持するのに欠かせない栄養素は、少なくとも多層３０１、３０２が占める、空間３０９にある供給源（図示せず）により提供される。例示的な供給源は、間欠的に空間３０９を栄養素で満たす、噴霧システム、スプレイ・システム、滴下システムを含む。栄養素は、葉面施肥または根部への供給により植物に送達される。図２Ｇ〜２Ｋは、各層のＳＧＥのストリングが空き空間分、空間的に分離されているので、栄養素が１つの層から次の層へ回されることができることを示している。本透過性によっても、供給源の数と、その初期コストとを最小化することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月30日(2014.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【外国語明細書】
TITLE OF THE INVENTION
Permeable Three Dimensional Multi-Layer Farming
FIELD OF THE INVENTION
【０００１】
This invention is related to the field of agriculture, horticulture, agronomy and agro-economics of food, energy, and other organism made substances. It is specifically related optimizing plant, yields, photosynthetic energy conversion efficiency as well as the utilization efficiencies of other resources, including, time, space, water, and nutrients. Even more specifically, the invention is related to indoor, environmental controlled farming in three dimensional, 3D, spaces, vertical farming, without the reliance on the sun energy or soil. It is also related to 3D farming systems comprising a plurality of layers each of which is capable of sustaining the growth of plants. More specifically, the plurality of layers is permeable in the sense they can pass through water, nutrients, light, shoot and roots of neighboring layers.
BACKGROUND OF THE INVENTION
【０００２】
My Co-pending Application entitled “SanSSoil (Soil-less) Indoor Farming for Food and Energy Production”, is incorporated herein by reference in its entirety. This Application hereafter is referred to as “the First SanSSoil Application” , or “FSA”, introduced more detailed background information expounding the limitations and liabilities of conventional soil-based agriculture. It presented inventive teachings of alternative soil-less indoor three dimensional multi-layer farming that are based of the Agriculture Profitability Assurance Law, AgriPAL, and the novel Plant Growth Model, PGM.
【０００３】
Together, AgriPAL and PGM present for the first time, mathematical analytical foundation, based of scientific principles, that describe how photosynthesis works, and presents formulas for predicting yield, energy efficiency, and agronomic profitability. They unraveled mysteries that to date eluded and baffled plant scientists and agronomists. They revealed the notion of solar gain, and astonishingly high physiological gains which can be garnered by means of better underrating of resource utilization efficiencies. These gains increase the yields and efficiencies by more than 10 fold and a path to approach and exceed 100 fold.
【０００４】
The FSA, has inspired more transformational inventive contributions that are described in the present Application and subsequent related applications. The background, the formulas and the scientific teachings in FSA, is therefore relied upon heavily in the present application.
【０００５】
Will We Produce Enough Food to Adequately Feed the World?
Advances in health sciences and technologies, in combination with better nutrition, are paving the path to nearly eradicate infant mortality while increasing life spans to beyond the present average of 80 years. Consequently, it is expected that the world population will swell to at least 9 billion by 2050. It has been recognized that such a level of projected population increase will pose a formidable challenges to our planet, stressing its already limited resources: food, energy, land, and water, and fomenting acrimonious competition and conflicts, to obtain and sustain good quality of life and lifestyle.
【０００６】
These challenges have recently been highlighted by the United Nations’ Food and Agriculture Organization, FAO, which published the findings of a High Level Experts Forum, in Rome, October 12-13, 2009, entitled “How to Feed the World 2050”. Also in the June 15, 2011 Issue, CO2-Science, published by the Center for the Study of Carbon Dioxide and Global Change, Dr. C. D. Idso, highlighted the challenges in his article entitled “Estimates of Global Food Production in the Year 2050: Will We Produce Enough to Adequately Feed the World?”
【０００７】
Both the FAO and Idso reports reveal an alarming consensus: that a significant per capita reduction is looming, in global food production, arable land, water resources, and farm yields of staple food crops. To avoid the disastrous consequences, they point to the need for a radical paradigm shift in food production technologies, systems and methods. The present food supplydemand gap continues to have devastating consequences in many parts of the world, in the forms of hunger, mal-nutrition, and deaths. According to FAO, there are 1 billion hungry people in 2012. The projected widening of that gap will worsen by 2050 for a 9 billion population. In addition to famine in many parts of the world, geopolitical strife will also cause incalculable adverse effects on the welfare of humanity.
【０００８】
These challenges are further magnified by the following three conflicts:
Conflict # 1: Food vs. Less CO2
There are many who are concerned over global warming caused by carbon dioxide emissions. They have embraced the cause of curbing fossil fuel use and are advocating CO2 reduction measures, and urging governments. They have influenced certain governments to act, and laws have been enacted attempting to discourage the use of resources that increase global CO2. However, this position is in direct conflict with the need to sustain life and to feed the world, as a first priority. At present, 1 billion hungry people need urgent attention, growing to be 3-4 billion in 2050. It is puzzling contradiction that the “global warming” community relies of questionable photosynthesis models to predict dire consequences for humanity in 2100, yet they cannot use the same models to understand why plant food efficiency is <0.5% (Table 1). The full and accurate understanding may very well prove that more CO2 is better at absorbing heat and at the same time deals with today’s urgent need for food and biofuel. After all, CO2 is the main ingredient for food and life itself (living mass is hydrocarbon matter).
【０００９】
Conflict # 2: Food vs. Fuel
Direct consequences of the global warming mitigation are the mandates imposed by the US and EU and other countries to produce CO2 neutral transportation fuel from biomass, biofuel. This presents yet a second conflict with the priority of feeding the world. It is feared by many that biofuel exacerbates the problem by diverting already scarce resources normally dedicated to food production: arable land, water, seeds, fertilizers, herbicides, farming tools. The food and energy price pressures that ensue will make it even harder for many vulnerable segment of the global population to close the nutrition gap. It is feared that their numbers will increase. It is also in conflict with achieving both food and energy security.
【００１０】
Conflict # 3: Food vs. Forest Land
As shown in Table 1, plant scientists, and agronomists agree that the measured efficiency is 〜0.5%, however, they cannot fully account for all the 〜99.5% losses, i.e., the where these losses originate. The full accounting for these losses is the key to inventing ways to minimize them.
【００１１】
Plants store solar energy in the form molecular bond energies of carbohydrates, sugars, starches, cellulose and proteins. The economics of conventional farming, to profitably produce generally affordable staple foods (sugars, cereal grains, legumes, leafy vegetable, and tubers such as: potato, yams, cassava), relies directly on the zero cost of solar energy, ZCOE. This forces cultivation outdoors, on two dimensional lands, because the solar radiation is delivered in units of Watt per unit area (hectares, acres, or square meters).
【００１２】
The reliance on this ZCOE has therefore, forced conventional agronomy to succumb to accepting 〜0.1 to 0.5% efficiencies (see Table 1). One of the main factors leading to such low efficiency is the need to use the soil to support plant growth, and soil borne nutrients which are not easily controlled. This lack of control makes soil a liability rather than an asset. The main concern breeder’s have, when producing a new variety, is the specific environment (geography) and the soil mineral composition. This means instead of having one optimum seed that fits all, they will need produce an astonishingly large number of cultivar oaf particular specie in serve as wide market as possible. Even, then production cost constraints wi ll require compromise. This is a consequence of uncontrolled outdoor soil based agriculture.
【００１３】
Therefore, because of the reliance on ZCOE, the growers, and the food production enterprises, have limited or no control. This in turn has lead to the requirement of enormous resources that are inefficiently used, including: insatiable demand for two dimensional arable land, water, fertilizers, and pesticides. To accommodate population increase from 1 billion in 1800 to the present, 〜7 billion, required deforestation at a high rate. On a global scale, once again fearing that deforestation adversely impacts the issue of global warming, governments are enacting laws and mandates to restrict increasing farm land by deforestation. This is the third conflict with the priority to feed the world, and achieving energy security.
【００１４】
【TABLE 1】
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【００１５】 
Farming Profitability and Economic Viability, AgriPAL
In my co-pending FSA, the formulation of Agriculture Profitability Assurance Law, AgriPAL, was presented and discussed extensively. It is repeated here as EQ. (2)
【００１６】
【FORMULA 1】
2014209850.tif 000078
【００１７】
AgriPAL enables an enterprise to predict profitability of plant growing systems, to prices, and to identify efficiency bottlenecks.
【００１８】
2014209850.tif 000079
【００１９】
2014209850.tif 000080
【００２０】
The present invention comprises aspects of AgriPAL that deals with maximizing space utilization efficiencies, which include three dimensional, 3D, soil-less, SanSSoil, plant growing structures and subsystems to sustain growth. More specifically, the aspects that reduce the cost of said structures and subsystems which lead to the minimization of the parameter f in Eq. (2). Even more specifically, the increase of geηE which is a function of the n, the number of vertical layers in 3D farming systems wherein the yield is measured in units of ton/hectare-meter, or ton/m3, or kg/m3.
PRIOR ART
【００２１】
As is well known, since its invention, agriculture is generally practiced in the form depicted in FIG. 1A, comprising the essential elements of food production: i)- the sun; ii)- 2D field, an area covered with soil that mechanically and physiologically support plant growth; and iii)-water irrigation source, and nutrients. This is referred to as arable land that combines adequate quantities of sun, water, and nutrients which generally come at no cost. The supplemental nutrients or fertilizers, when added, carry a relatively low cost. As demonstrated by AgriPAL described in FSA, this form of farming has been profitable because the main ingredients come at little or no cost. 
【００２２】
In recent years, the adoption of indoor controlled environment agriculture, CEA has increased. An exemplary prior art reference is US Patent 3,931695 which gives a good description of CEA. In CEA, the growth area is sheltered, making the control of many plant growth parameters possible, thereby achieving higher yields and higher resource utilization efficiencies. The increased use of soil-less hydroponic or aeroponics nutrient delivery practices increased the economic viability for growing many plants. FIG. 1B illustrates the elements of CEA, also referred to as greenhouse. When solar illumination is used, CEA is the same as conventional sheltered farming with the added benefit of protection from the weather and better control of pesticides, nutrients, and water. When temperature control is added, yields can be enhanced and many planting cycles become possible year round. When artificial lighting is used, extending growth periods to 24 hours per day becomes possible.
【００２３】
Applying AgriPAL has shown that this growing method of farming, while growing in acceptance, is economically viable for certain high value added plants. It is not possible to economically (profitably) produce staple crop or biofuel us indoor farming because of the added daily energy consumption for heating or cooling, and the cost of the added infrastructure. The objects of FSA and present invention are inventive aspects that make indoor farming viable even for staple foods.
【００２４】
Most recently, Van Gemeret et al. taught 3D farming system in US Publication 2011/0252705, October 20, 2011 which is depicted in FIG. 1C. The system resembles stacking many edifice floors vertically, resembling the greenhouses in FIG. 1B but placed one on top of the. The most prominent features of this vertical farming concept are: i)-higher productivity per unit area; ii)-the plants in each floor are independent of the plants of neighboring floors; iii)-the floors do not share resources (light nutrients) directly; iv)-constrained to use only artificial lighting; and v)-the ceiling height, h, of each floor makes the system highly inefficient in terms of productivity per unit height. The economic viability is possible only for high value added products like tulips, cut flower, etc. As will be shown in more details, the present invention addresses there limitations, by means of making growth layers in the from of networked strings that are coupled to each other sharing light, and nutrients, thereby compressing the vertical height needed for growth by factors ranging from 5 to 50.
【００２５】
2014209850.tif 000081
【００２６】
FIGS. 1D-1H illustrate prior art plant growing methods having distinct environments, (elements) 50a-50e, each of which comprises, a plant 53 illuminated by the sun 51. They are distinguished by the type of growing medium, the plant to mechanical support, and the method of delivering nutrients to the plants. In the case of elements 50a, 50b and 50e, the soil provides the support and nutrients are delivered directly to the soil which are them up taken by plant roots.
【００２７】
In the case of element 50c, the hydroponic method well known in the art is used comprising, a mechanical structure 54, (container) for growing one or more plants. The container is filled intermittently (or continuously) with nutrients 55, and the plant up takes the nutrient through a porous root support structure, 52a. This root support structure replaces soil.
【００２８】
The aeroponics method, 50d, also known in the art, comprises a plant support structure 56, through which the roots penetrate to bottom space 57c, where the roots are sprayed directly by means of nozzle 57. This method is known to achieve better yields than the soil based and the hydroponic systems because the roots are in direct contact with the ambient oxygen. Its main disadvantage is the low vertical space utilization efficiency and the spray nozzle clogging. In all the prior art cases, the roots are fed by a plurality of different physically separated components (discrete instead of integral components). Also all of these elements feed the roots indirectly from the bottom.
【００２９】
2014209850.tif 000082
【００３０】
The network of strings, forming multi-layer 3D systems, is further distinguished from prior art by the inventive permeability feature of said multi-layers. Layer permeability is defined as the ability to pass through to neighboring layers, light (transparency) and nutrients, received from other neighboring layers. In addition, the shoots and roots of one layer may pass thorough neighboring layers. This enables the roots of one layer to share the space of the shoots of a neighboring layer below it. The end result is high utilization efficiency of the vertical space. The light transparency feature reduces the number of artificial illumination sources as well as the energy consumption.
【００３１】 
Liabilities of Soil Based Outdoor Agriculture
In the above, we discussed the high cost of the involuntary dependence on solar energy; enticed by the zero cost to ensure economic viability outdoor farming. One of the consequences is forcing conventional agronomy to succumb to accepting 〜0.5% and as low as 0.1% efficiency. This afforded little or no control over the energy efficiency, ηE, to make further improvements beyond what has already been achieved in the last 50 years, 〜20 times yield improvements, the fruits of the Green Revolution that started in 1950s.
【００３２】
Going forward, perhaps only fractional gains may be realized, which are offset by higher per capita demand. The low efficiency and lack of control of outdoor solar-based and soil-based farming have lead to the requirement of enormous resources that are used inefficiently including: insatiable demand for two dimensional arable land, water, fertilizers, and pesticides.
【００３３】
In Section II of my Co-pending FSA, I presented a number of examples highlighting the challenges associated with growing staple commodity foods indoors, and why that is not possible if one relied of the limited prior art understanding of the efficiency, ηE, concluding that outdoor field soil-based farming is the only presently available viable option for growing staple food to feed the world, and growing biofuel, energy for transportation
【００３４】
This viable outdoor option is for the continuous reliance on the zero cost solar energy, and its associated drawbacks or requiring vast resources that are not utilized efficiently. In addition, the outdoor farming constraint, subjects the growers to other consequences; environmental and economic risks, unexpected crop losses due to microscopic pathogens, weeds, droughts, floods, and extreme unseasonable temperature variations.
OBJECTS OF THE INVENTION
【００３５】
In order to solve the formidable food and energy problems and challenges facing humanity and eliminating the contradictory conflicts, a transformational departure from conventional agricultures is needed. Conventional agricultures is constrained to be in the outdoor open field environment. This constraint is a consequence of the reliance on zero cost of solar energy, CO2, and water for photosynthetic to produce biomass for food and energy. The path to the solutions of the aforementioned problems is abandoning outdoor soil-based agriculture that requires enormous supplies of arable lands and water resources.
Following this new path provides great benefits which include: eliminating the lack of control over nutrients, 1000 times water saving, eliminating adverse environmental conditions, and soil-borne pathogens.
【００３６】
Instead of conventional two dimensional, 2D, outdoor farming, the object of this invention is to teach means and methods to profitably harness the third dimension where unlimited space is available, where soil is avoided, and water can be conserved. The inventive 3D agriculture according to the present invention focuses on utilizing the third dimension efficiency by teaching devices, systems and methods to compress the vertical space needed for food production.
【００３７】
The teachings according to the present invention of 3D farming is the partitioning of the third dimension into a plurality of layers (multi-layers) each of which is capable of being supplied with nutrients, and the light needed to sustain growth. Said plurality of layers are supported by means of a 3D structure that comprises a master system comprising subsystems which are designed to optimally provide water, light, nutrients, CO2, O2, and temperature controls for specific plant organism species.
【００３８】
Said plurality of layers comprise strings of interconnected soil-less (SanSSoil) growth elements, SGEs, each of which is integrally made to have a multi-function capability including: germinating the seed, growing the plant, providing the plant with physical structural support, water, nutrient, light, and capability to sense the plant environment.
【００３９】
The strings of SGEs are disposed in the first, second and third spatial coordinates. They are in the form of one dimensional network, two dimensional network or three dimensional network supported by the multilayer structure.
【００４０】
An aspect of the invention is resource utilization efficiency such that staple foods and bio-energy are produced profitably so that the food and energy supplied with no “food or fuel” competition problem. This is accomplished by means of inventive features described herein that enable the plants in each SGE in string networks to share resources including: light, nutrients, and intra-layer space. This is the multi-layer permeability property taught according to the present invention.
【００４１】
Another aspect of the present invention is making the each SGE and the string interconnection and space between strings optically transparent, permeable, so as to enable light to pass through plurality of layers to share, conserve and efficiently utilize light. This will minimize the need for many light sources, thereby reducing product cost.
【００４２】
Another aspect of the present invention is avoidance limitations of prior art method of growing plants to reduce cost to enable economical staple food production.
【００４３】
Another aspect of the present invention is saving vertical, intra-layer space by enabling the plant root and plant shoot sharing. This means the roots of plants one layer, can occupy (share) the space of the shoots (leaves) of the layer below.
【００４４】
Another aspect of the present invention is providing a totally sealed system for growing plants for food and energy comprising inventive sealing features and mechanisms to recycle water and nutrient resources to maximize utilization efficiency and reducing cost. For example, the natural transpiration of water is recaptured and reused. The plant growth environment is maintained at a desired temperature and relative humidity for optimum plant performance. The result is water saving by reutilizing between 100-1000 times water which would have been wasted in conventional outdoor agriculture.
【００４５】
Another aspect of the present invention is the benefits of sealed 3D growing system that include the avoidance of the unpredictable weather conditions which results in a reliable food production with losses due to weather. The sealed growing 3D system can be made aseptic, pathogen free, adding yet another path to profitability assurance.
【００４６】
Another aspect of the present invention is the isolation of the sealed 3D growing system from the external environment thereby protecting said environment. This is especially beneficial when growing genetically transformed plant species (GMO) for experimental and production purposes.
【００４７】
Yet another aspect of the present invention is the ability of one layer to water, and nutrients from the strings of SGE in said layer, to strings of SGEs in the plurality of lower layers. This is a unique feeding mechanism that is distinct from well know prior art hydroponic and aeroponics mechanisms
【００４８】
Yet another aspect of the present invention is the utilization of artificial lighting, preferably LED, instead of solar lighting. More specifically, LED lighting that is delivered to the plants as pulses of short duration, between 0.1 ms and 2.5 ms, and frequencies between 30 Hz and 300 Hz. Applicant discovered that the enzymatic kinetics of the plant physiology can be made 4-10 times more efficient by temporal control the light.
【００４９】
Yet another aspect of the present invention is the control of the spatial placement of LED illumination sources within the 3D growing system in order to maintain uniform illumination received by the growing plants.
BRIEF DESCRIPTRION OF THE DRAWINGS
【００５０】
The following drawings are intended to describe the preferred embodiments and operating principles. They are not intended to be restrictive or limiting as to sizes, scales, shapes or presence or absence of certain necessary components that are not shown for brevity but are, nonetheless, well known to those skilled in the art.
【００５１】
FIGS.1A-1C describe prior art farming methods: Outdoor soil based farming, Indoor CEA (greenhouse) farming and 3D vertical farming FIGS. 1D-1H illustrate the various environments which plants grow into and specifically how nutrients are delivered to the plant roots.
【００５２】
FIG. 2A illustrates a SanSSoil indoor farming system comprising a protected environment for sustaining plant growth, and a control subsystem that follows a program to control the growth.
【００５３】
FIG. 2B-2C shows more details of the system 1, that is comprised of multilayer each of which comprises a network of strings of SanSSoil Growth Elements, SGEs. The graph shows the localization of each element in the 3D space, first, second and third spatial coordinates, and how they periodically repeat with periods pz, py, pz.
【００５４】
FIG. 2D-2E describe more details how each SGE is made, its structures and function.
【００５５】
FIGS. 2F-2K describe how SGE are interconnected into strings, which in trun from layers of plurality of strings all networked to from a 3D growing system 1.
【００５６】
FIGS. 3A-3H describe the integrally made single SGE and its commutations with its
neighbors sharing resources: light and nutrients to support growth.
【００５７】
FIGS. 3I-3M describe the integrally SGE and SGE strings assuming growth plants in various orientations.
【００５８】
FIGS. 3N illustrates the possibility that strings of SGE may interconnected into series and parallel network combinations in communication with resource supply sources.
【００５９】
FIGS. 3P show exemplary plurality of configurations to attach SGE to supply sources, and to neighboring SGEs.
【００６０】
FIGS. 4A describes multi-layer permeability of light, enabling layers to share light from
common source.
【００６１】
FIGS. 4B-4C, describe the multi-layer permeability of shoots, and roots sharing space of neighboring layers.
【００６２】
FIGS. 4D illustrates the multi-layer permeability to fluids delivering nutrients to plants from a common source. The fluids are in the form of fog, mist, sprays, and streams.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODOIEMNTS
【００６３】
In my co-pending FSA, I described transformational new paradigm for agriculture can be realized to solve the problems facing humanity and achieve food and plat based energy security. One key feature of the new paradigm is the understanding the profitability conditions of farming. This has been accomplished by the formulation of Agriculture Profitability Assurance Law, AgriPAL, It is repeated here as EQ. (2)
【００６４】
【FORMULA 2】
2014209850.tif 000083
【００６５】
AgriPAL enables an enterprise to predict profitability of plant growing systems, to prices, and to identify efficiency bottlenecks.
【００６６】
2014209850.tif 000084
【００６７】
2014209850.tif 000085
【００６８】
The present invention comprises aspects of AgriPAL that deals with maximizing space utilization efficiencies, which include three dimensional, 3D, soil-less, SanSSoil, plant growing structures and subsystems to sustain growth. More specifically, the aspects that reduce the cost of said structures and subsystems which lead to the minimization of the parameter f in Eq. (2). Even more specifically, the increase of geηE which is a function of the n, the number of vertical layers in 3D farming systems wherein the yield is measured in units of ton/hectare-meter, or ton/m3, or kg/m3.
【００６９】
The preferred embodiments, in the present application, deal with growing plants in 3D space that is limitless. More specifically, 3D space including, growing plants in 3D edifices, structures, or towers of heights, ranging from 10 meter to 100 meters, and even more preferably tower heights beyond 100 meter perhaps approaching 500 meter or even 1000 meter. Building having heights exceeding 500 m already exist. It is also known that making wind turbine tower as high 150 m is economical feasible.
【００７０】
FIG. 2A is an exemplary depiction of an indoor SanSSoil farming system 100 comprising a SanSSoil sheltered and protected controlled environment 101 and a control subsystem 102. The SanSSoil sheltered and protected controlled environment 101 is designed to be substantially impermeable to pests, and undesired gases, liquids, particulates, and other foreign objects. Preferably said protected environment is well insulated and protected from outside temperature swings in order to maintain a desired temperature that is most suitable for growth and results in maximum productivity.
【００７１】
In certain situations, solar radiation may augment artificial light for photosynthetic growth. In this case the SanSSoil environment 101 may be equipped with filters to filter out unwanted solar wavelengths including ultra-violet, infra-red and certain visible wavelengths.
【００７２】
The hybrid growth method based on the combination of artificial lighting, preferably LED, with selected solar wavelengths will enable the maximization of gegsolar, viability index and the profit margins established through meeting the AgriPAL condition as described in FSA.
【００７３】
The SanSSoil environment also comprises structures for handling seed/seedling input 105 harvested product output. Said structures are preferably designed to incorporate appropriate sealing structures such as load locks in order to maintain sterile or near sterile conditions. Means to achieve impermeability and sterility of SanSSoil edifices are well known to persons skilled in the art. Internally, the SanSSoil environment 101 houses a plurality of SanSSoil plant culture layers 103 disposed in a three dimensional space. The SanSSoil plant layers are made form structures and materials that are optically transparent. This will enable the layers share and recycle unabsorbed light, thereby increasing the light energy utilization efficiency.
【００７４】
2014209850.tif 000086
【００７５】
In some situations, a group comprising more than one interacting parameters, may be adjusted and optimized together. For example, adjusting the carbon dioxide to an optimum value limited by the dark reaction enzyme density requires adjusting the light level until it is limited by the light reaction enzyme density. The steps of optimization are aided by appropriate sensors which communicate with the controller values to require adjustments.
【００７６】
Each layer 103 within the SanSSoil environment 101, is so designed to sustain the growth of plants or organisms in integrally made SanSSoil growth elements (modules), SGE 1, described further in FIGS 2B-2K, and FIGS. 3A-3P. The layers 103 and the plurality of SGE’s are spaced in such a manner that optimizes the space utilization efficiency Gsp.
【００７７】
Each SGE 1, comprises integrally made structure 1a, 1b which houses the plant 2, the shoot 2s, and the root 2r, and connected to a nutrient sources 3, 3a. The nutrients drip or spray downward on the root in the cup like substructure. One key aspect of the present invention is to combine this method of feeding, with foliar feeding, well known in the art, by means of fogging subsystem (or mist) which preferably supplies micron scale fluid particles (droplets) that are absorbed directly by the plant leaves, by-passing root uptake. Each SGE 1, optionally and integrally comprises a light source 4, and a sensor 5.
【００７８】
It is also possible to have two fogging systems, one for supplying one set (a first set) of nutrients to the root and a second supplying different nutrient set to the leaves. In addition to providing more that one feeding sources, it is contemplated that in certain situations, said source may be applied sequentially, or in a temporally pulsed manner with adjustable periods and duration.
【００７９】
This inventive feature is unique to indoor farming, according to the present invention, because it affords a new degree of freedom for the subsystem 102 to control the components of gain factor ge, through optimization of the operating range of each component. This is especially advantageous when two sets of nutrients are antagonistic to each other, competing to prevent the optimum pH to establish for maximum beneficial uptake.
【００８０】
FIG. 2B shows that in each of layers 103a, 103b, and 103b, the SGE’s (FIG. 2C) are connected in strings 106, that are connected to nutrients sources delivered to each SGE site. In the first spatial coordinate, x, the SGE repeat at period px, 107a, while the strings repeat in the second coordinate, y, at a period py, 107b. In the third spatial coordinate, z, the layers repeat at period pz, 107c. The dashed lines 108 depict columns of SGEs in there respective layers. The total number of plants in the 3D system, N3D = (Nxpx)(Nypy)(Nzpz), determines the over all 3D productivity of the system 100.
【００８１】
The illumination sources 1h, 1j and auxiliary sensors, 1g, or other resource, are disposed in any orientation relative to the three spatial coordinates, FIGS 2C-2E.
【００８２】
As shown in FIG. 2F, a plurality of SGEs are connect as a linear string 111a, which is connected to a sources 3. The connection structures are so designed to deliver with high conductivity nutrients to each site 1. Preferably, these structure are designed for quick connection to the SGE, enabling rapid and inexpensive and automated means to form a long string. These structures also have the strength to spurt the weight of the plants in the string. FIG. 2G show a cross section of the string.
【００８３】
In FIG. 2H, many strings 111a, 11b, are placed in parallel to form a layer103. The cross section FIG. 2I illustrated an important feature of the present inventions which is the empty space between strings. This enables the sharing of nutrients, light that pass through between the strings and between the layers.
【００８４】
The advantages of the string interconnections is further highlighted in FIGS. 2J-2K wherein two layers 103a, 103b disposed vertically, each comprising a plurality of strings. One immediately notices the space saving in the cross section FIG. 2k where the plants of layer 103b, is in the space of the top layer 103a. The space between two layers is pz. It will be show later in a different embodiment that the period pz can be made to vary depending on the age of the plant manually or automatically.
【００８５】
Now we provide in FIGS. 3A-3P more specific details of the construction of the SanSSoil Growth Element, SGE. The term integral multifunction is defined as a structure that comprises at least two substructures integrally made substantially permanently attached so as to carry out at least two functions. The our preferred embodiment said functions are chosen from the group: {mechanical support, growth sustenance, germination, self-supplying nutrients, self-supplying light, sensing environment, communication nutrients to nearest neighbor}.
【００８６】
The SGE in FIG. 3A comprises growth compartment or substructure 1a which mechanically and physiologically supports the growth of the root 2r and the shoot 2s to maturity. The substructure 1a is integrally attached to a connecting conduit 1b, that is in fluid communication with growth substructure 1a, through orifice or opening 1c. Fluid 1d, flows through said orifice 1c, supplying a stream 1f to the root. Conduit 1b may have any cross section as shown in FIG. 3B.
【００８７】
Conduit 1b is removably attached to at least one source 3. Said attachment is preferably quick connect disconnect type with sealing function to prevent leakage, 1e. The source 3 provides essential resources, ingredients, to optimally sustain plant growth. Said resources comprise at lease water and nutrients, but may also conduct and deliver light by means of total internal reflection mechanisms, well known in the fiber optic art and the back-light sources well know in the liquid crystal display art. The conduit may conduct electrical signals or power from sensors and to local LEDs ingrated directly into the conduit 1b.
【００８８】
Conduit 1b according to FIGS. 3C-3D, serves to connect two SGEs to form strings as described above, FIGS. 2K-2K, and to pass resources 3a from one SGE to another. Said resources include fluids, conducting signals from sensors 5, 5a, and energizing LEDs 4, to provide illumination 4b to local plants.
【００８９】
As shown in FIGS. 3E-3H, the SGE in the preferred embodiment also comprises a seed support structure 1m, which functions to mechanically support the seed 2, and to provide the optimal environment for high germination rate. By following the arrows in the figures, we show the emergence of the shoot 2a and root 2b to growth of the seedling and finally the mature plant. This emphasizes the significance of the integral construction of the SGE according to this preferred embodiment highlighting the capability multifunctions which comprise: mechanical support of seed and mature plant, germination, local nutrient delivery, local delivery of light, environment sensing, and growing plant to maturity, FIG. 3D.
【００９０】
The multi-function integral construction of SGE, also highlight the local selfsufficiency of each SGE, that plays a significant role in maximizing 3D space utilization efficiency. It also serves to make its distinction clear, relative from prior art plant growing practices described above in connection with FIGS. 1A-1H.
【００９１】
Since the plants follow the light direction, we can advantageously exploit this property to orient the plant growth in any desired direction as illustrated in FIG. 3I, wherein the growth axis 6, makes an angle 6a with respect to the layer axis 1j. In other embodiments, the whole string and plane, 10, may be oriented at an angle 6b with respect to the horizontal direction 1v, FIG. 3J.
【００９２】
Yet in other embodiments, it is preferred to make strings that are hanging from top to bottom, 11, 12, with SGE oriented in desired directions determined by the light as shown in FIGS. 3K-3M.
【００９３】
In addition, there are system optimization benefits to interconnect SGE string in the form of a network, 13, FIG. 3N, that combines series and parallel combinations of strings attached to feeding structures, 14, 15, which receive resources 16, 17 from a master delivery system (no shown). The benefits of this arrangement include: increasing speed and flexibility of system assembly, reducing infrastructure cost, and optimizing consumable utilization efficiencies.
【００９４】
Integrally made multi-function self-sufficient SGE may be attached to feed structure, or string interconnection sutures, 3, in a plurality of desired configurations, 20a-20e, shown in FIG. 3P, depending on the plant species and system design requirements. Persons skilled in the art may produce other configurations, without departing from the SGE network interconnectivity claimed by the present invention.
【００９５】 
Multi-Layer Permeability
To realize the full optional of 3D multi-layer farming, the preferred embodiments comprise means to maximize resource utilization efficiencies. This is accomplished by means of sharing these resources which include: illumination sources; nutrient delivery subsystems, supporting structures, and space. The means for sharing which are described in FIGS. 4A-4D result in the reduction of the system fixed costs, f, as well as the variable consumable costs, v, thereby ensuring maximum profitability, according to AgriPAL Eq. (2) above.
【００９６】 
The definition of permeability, according to the present invention, is the ability of a layer comprising at least one string of SGEs to pass resources from a first group of neighboring permeable layers, to a second group of neighboring permeable layers. The first and or the second group may comprise resource delivery sources. The total number of vertically disposed layers ranges from 2 to 10, and more preferably from 10 to 100 and even more preferably in excess of 100 layers.
【００９７】
The permeability feature of the present invention enables the sharing of resources, including water, nutrient, illumination, heating and cooling and other sharable resources. The sharing of said resources enables their efficient, use thereby minimizing the ultimate product cost. The 3D yield or 3D productivity is measured in units of weight divided by volume and units of time. Therefore, the permeable means for sharing resources are designed to produce the maximum product weight in the most compact 3D space in the shortest time. These means are described with aid of FIGS. 4A-4D.
【００９８】
Referring to FIG. 4A an exemplary multi-layer system 300, comprising at least layers 301, 302 which are built by stringing a plurality of SGEs 1, as described in more details above and in FIGS. 2G-2K. Layers 301, 302, and the connecting structures, 301a-301c, and , 302a-302c as well as SGE structures, are made substantially optically transparent so as to allow light rays 305a-305d from sources (not shown) to pass through layers 301, 302 to illuminate the plant shoots 303s, 304s of neighboring layers. The optical transparency of layer structure is made possible by means of transparent materials chosen from at least glass, polycarbonate, polyethylene, and polypropylene, polystyrene.
【００９９】
This means of achieving of light permeability enables multi-layers to share at least one light source growing plants, thereby realizing the maximum efficiency of the light source. As it may be appreciated, seedlings are small and are separated by wide lateral and vertical spaces. It takes months before the space between them is filled. During this time the light that is not absorbed by one layer, passes through to be absorbed by neighboring layers. The end result is a few light sources are used to illuminate a large number of layers. This immediately results in the reduction of initial capital cost of the light sources. For example, a 100 layer (permeable) system may be served by only one planar light source located on top of the system. By adding reflecting system walls, minimum light is wasted.
【０１００】
By contrast, prior art 3D farming system in FIG. 1C contemplates using one set of light sources for each layer, clearly revealing how wasteful prior art teaching is. It further validates the significance of the permeable inventive feature of the present invention.
【０１０１】
In addition to minimizing the initial fixed cost of light sources, the permeable layers also use the consumable light energy efficiently, lowering the variable cost of production. Any light that is not absorbed by a permeable layer passes through to adjacent layers to be consumed by plants in these layers. In prior art teachings, the light energy that is not absorbed by plants is irretrievably lost as a wasted resource.
【０１０２】
Referring to FIGS. 4B-4C, another type inventive permeability feature is described. It pertains to the roots 303r, 304r, and shoots 303s, 304s (stems, branches, leaves) of plants in one layer penetrating (sharing) the space of roots and shoots of plants in adjacent layers 306, 307. This space sharing achieves an unprecedented vertical compression, reducing the vertical height d, 308, 308a, many times. The absence of this space sharing would have required maximum height for roots which added to the maximum height of shoots, and the system would vertically less compact.
【０１０３】
FIG. 4D illustrates yet another type of permeability, which is the ability of one layer to pass through unabsorbed nutrients to adjacent layers. Nutrients essential for sustaining optimum growth of plants are provided by sources (not shown) in the space 309 occupied by at least the multi-layers 301, 302. Exemplary sources include fogging system, spraying system, and dripping systems which intermittently fill the space 309 with nutrients. These nutrients are delivered to the plants by means of foliar feeding or root feeding. FIGS. 2G-2K, show that string of SGEs in each layer are spatially separated by empty spaces which allow the nutrients to pass from one layer to the next. This permeability also minimizes the number of feeding sources and their initial cost.
CLAIMS
1. A Permeable 3D Multi-Layer Farming System comprising:
At least one integrally made SanSSoil growing element, SGE;
At least one means to provide resource permeability.
2. The system in claim 1, wherein the SGE comprises a means to provide multifunction selfsufficiency to sustain life of said biomass.
3. The system according to claim 1, wherein said at least one SGE is interconnected to form multi-layer three dimensional array structure disposed in a first, second and third spatial coordinates, wherein the system further comprises at least one means of resource permeability.
4. The system according to claim 3, wherein the array structure comprises:
at one layer comprising a network of interconnected strings SGE wherein said at least layer is permeable to shared resources.
5. The system according to claim 3, wherein the shared resources include, illumination, heating, cooling, and nutrients.
6. The system according to claim 3, wherein the array structures comprising at least a first and second layers and a space there between, wherein the plant roots of first layer shares the space of the plant shoots of the second layer.
7. The system according to claim 3, wherein the array structures comprising at least a first and second layers and a space there between, wherein the plant shoots of the second layer, shares the space of the plat roots and shoots of the first layer.
8. The system according to claim 3, wherein the array structures comprising at least a first and second layers and a vertical space there between; and a means for compression of vertical space, wherein said means comprises layer construction so as to enable the sharing roots and shoots of plants in first and second layers.
9. The system according to claim 3, wherein the array structures comprising at least a first and second layers wherein said structures are constructed from sustainably transparent material permeable to light from at leas one source.
10. The system according to claim 3, wherein the array structures comprising at least a first and second layers wherein said layers are permeable to fluids from at least one source. 
11. The system according to claim 9, wherein said fluids are delivered by at least one subsystem chosen from the group: {fogging, misting, streaming, dripping}.
1. Abstract
To achieve food and energy security a transformational three dimensional multilayer farming, MLF, is required. This is path to eliminating the conflict of “food vs. biofuel” and achieving both food and energy security. However, this goal is only realizable if such 3D MLF systems are economically viable. One of the key aspects of the invention is the emphasis on profitability by teaching inventive systems, means and methods to increase the 3D plant productivity, 3D yield, ton/m3/year.
Each layer in the MLF system is composed of at least one string of SanSSoil Growth Elements, SGEs each of which is designed to carry out multiple fun actions to sustain plant growth, and made in such a manner to integrate these functions to lower the cost. In addition, all the layers are endowed with novel permeability features to enable the sharing of resources to minimize the initial capital cost and the variable cost of consumables: i)-the layers are light permeable so that minim artificial lights are used and shared throughout the plant growth course of; ii)-roots and shoots of plants in each layer share the space of roots and shoots of adjacent layers to achieve vertical space compression; and iii)- the layers are permeable to nutrient fluids to minimize fluid delivery sources. The inventive permeability features are the key to highest resource utilization efficiencies, heist yield and lowest cost.
2. Reprensentative Drawing
Fig. 2A
【FIG. 1A】
2014209850.tif 000087
【FIG. 1B】
2014209850.tif 000088
【FIG. 1C】
2014209850.tif 000089
【FIG. 1D】
2014209850.tif 000090
【FIG. 1E】
2014209850.tif 000091
【FIG. 1F】
2014209850.tif 000092
【FIG. 1G】
2014209850.tif 000093
【FIG. 1H】
2014209850.tif 000094
【FIG. 2A】
2014209850.tif 000095
【FIG. 2B】
2014209850.tif 000096
【FIG. 2C】
2014209850.tif 000097
【FIG. 2D】
2014209850.tif 000098
【FIG. 2E】
2014209850.tif 000099
【FIG. 2F】
2014209850.tif 000100
【FIG. 2G】
2014209850.tif 000101
【FIG. 2H】
2014209850.tif 000102
【FIG. 2I】
2014209850.tif 000103
【FIG. 2J】
2014209850.tif 000104
【FIG. 2K】
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【FIG.3A】
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【FIG.3B】
2014209850.tif 000107
【FIG.3C】
2014209850.tif 000108
【FIG.3D】
2014209850.tif 000109
【FIG.3E】
2014209850.tif 000110
【FIG.3F】
2014209850.tif 000111
【FIG.3G】
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【FIG.3H】
2014209850.tif 000113
【FIG.3I】
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【FIG.3J】
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【FIG.3K】
2014209850.tif 000116
【FIG.3L】
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【FIG.3M】
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【FIG.3N】
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【FIG.3P】
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【FIG.4A】
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【FIG.4B】
2014209850.tif 000122
【FIG.4C】
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【FIG.4D】
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