(57)【要約】  それぞれが、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域を照明するように構成された複数の固定された光ポストと、所与のいずれの時刻においても光ポストの１つ以上により生成される光にさらされることが可能であるように、予め定められたタイミングシーケンスに従い、実質的に垂直な軸周りに回転可能であり、更には、モジュールの暗い内部領域を画定する少なくとも１つのモジュールとして配置され、暗い内部領域で瞬間的に配置される植物が夜間の感覚を受ける複数の植物栽培タワーと、前記タワーのそれぞれで栽培される植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、を備える屋内非土壌植物栽培システム。更には、光ポスト内に組み込まれた圧力空気ノズルに基づく人工授粉システム。
2018512888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屋内非土壌植物栽培システムであって、
ａ）それぞれが、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域を照明するように構成された複数の固定された光ポストと、
ｂ）所与のいずれの時刻においても前記光ポストの１つ以上により生成される光にさらされることが可能であるように、予め定められたタイミングシーケンスに従い、実質的に垂直な軸周りに回転可能であり、更には、モジュールの暗い内部領域を画定する少なくとも１つのモジュールとして配置され、前記暗い内部領域で瞬間的に配置される植物が夜間の感覚を受ける複数の植物栽培タワーと、
ｃ）前記タワーのそれぞれで栽培される植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、
を備える屋内非土壌植物栽培システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、更に、
前記少なくとも１つのモジュールの前記光ポストにより照射される前記照明特性に従い、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、午後の照明コンディション、及び、夜間コンディションに連続的にさらされるように、前記タワーのそれぞれを周期的に回転させるための駆動ユニットを備えるシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、
前記駆動ユニットが、２４時間毎に完結するタワーの回転を引き起こすように構成されるシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記タワーのそれぞれが複数の取り付け要素と共に構成され、
前記取り付け要素のそれぞれにより、対応する植物が、異なるタワー外周部に取り付けられ得て、前記外周部から外方向に成長するように促され、
前記取り付け要素のグループは、前記タワーの異なる高さレベルに定義されるシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムであって、
前記タワーの１つで栽培される全ての植物の葉は、植物間の高さの違いに関わらず、所与の模擬された時間周期で、前記光ポストの近接する１つに取り付けられた光素子から照射される実質的に均等な光の分布にさらされるシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、
前記光素子は、高さ５０ｃｍの前記光ポストの中に光素子４０個以上の密度を有するように十分に小さく、且つ、所与のいずれの高さにおいてもただ１つの前記光素子が取り付けられるように、前記光ポストのそれぞれに取り付けられるシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、
前記光素子のセグメントは、前記タワー外周部に光合成光量子束密度をもたらすように円錐分布角の中で、前記セグメントの前記光素子から照射される構成光ビームが混合されるように配置された、予め定められた数及び配列の光素子を備え、
前記混合された光ビームは、所与の栽培される植物に対して、光合成を促進するように前記タワー外周部に作用するシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、
前記所与の模擬された時間周期で照明される、別のタワー外周部における光合成光量子束密度が、実質的に等しいシステム。
【請求項９】
請求項７に記載のシステムであって、
前記予め定められた数及び配列の光素子が、前記光ポストの高さに沿って、全ての他のセグメントで繰り返されるシステム。
【請求項１０】
請求項５に記載のシステムであって、
前記光素子のそれぞれは、その角度境界が前記タワー外周に入射する光照射角を生成するように構成された指向性レンズを備え、前記タワー外周への光入射の結果として、２つの隣接するタワー間の前記モジュールの内部領域への照射光の伝播が遮断されることを引き起こし、
それにより、前記内部領域が、植物が栽培されるために予め定められた光合成有効照射レベルに満たない照射レベルまで暗くされることを確実にするシステム。
【請求項１１】
請求項２に記載のシステムであって、更に、
栽培される植物の型により必要とされる予め定められた量の栄養素を送る投薬ポンプと、
予め定められた回数、前記灌水手段へ配送可能な灌漑溶液の伝導率及びｐＨを調節するために動作可能な前記投薬ポンプと情報のやり取りを行う制御部と、
を備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記屋内施設は、前記施設の外に存在する屋外のコンディションから分離されるシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、更に、
前記屋内施設の中で、果物及び種作物の生産を促進するための人工授粉システムを備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記人工授粉システムは、前記光ポストのそれぞれにより支持される、垂直方向に間隔が空けられた複数の空気放出ノズルを備え、空気受けタンクから前記ノズルにより同時に受け取られる圧縮空気のパルス供給が、前記ノズルに接近して瞬間的に配置される植物の葯から花粉を解放することを引き起こすように機能するシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記人工授粉システムは、更に、
前記空気タンクから延び、前記ノズルのそれぞれと流体連通する前記光ポストの外側に位置する導管と、
前記導管に動作可能に接続され、圧縮空気の圧力を調節する制御部と情報のやり取りを行う制御バルブと、
を備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムであって、
前記人工授粉システムは、
前記モジュールの各タワー付近の局所的な空気の湿度を制御するためのユニットを更に備え、
前記制御部は、
ａ）花粉の解放をサポートするために花粉の接着性を十分に低下させることを確実にするレベルまで、前記局所的な湿度を大幅に低下させるように前記ユニットに指令し、
ｂ）所与の植物が、いつ前記ノズルに花粉を解放可能に近接して配置されるかに関する情報を、前記駆動ユニットと関連するデータソースから受け、
ｃ）予め定められた時間、前記制御バルブを開けるよう指令して、前記圧縮空気を前記所与の植物に向かわせ、
ｄ）花粉の生存力を確保するために、花粉の解放に続いて、前記局所的な湿度を大幅に上昇させるように前記ユニットに指令し、
ｅ）授粉サイクルの終わりに、前記制御バルブを閉じる
ように動作可能であるシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムであって、
前記ユニットは、空調機及び除湿機であるシステム。
【請求項１８】
請求項２に記載のシステムであって、更に、
前記モジュールの暗い内部領域の中及び上方で、中央に配置されるように取り付けられるシーリングファンであって、動作時に、植物から放出される二酸化炭素が、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、または、午後の照明コンディションにより特徴づけられる前記モジュールの外側の領域に運ばれることを引き起こし、対応する増加した量の二酸化炭素を吸収する結果として植物の成長速度の増加を誘発するシーリングファンを備えるシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載のシステムであって、更に、
植物の根で消費されない余剰の灌漑流体を再利用するための開ループリサイクリングシステムを備えるシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載のシステムであって、
前記光ポストのそれぞれに取り付けられた光素子は、連続的に動作し、且つ、前記光ポストの内部を通って導入される冷却液を用いて冷却されるシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムであって、
前記冷却液は、灌漑流体であるシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記光ポストのそれぞれに取り付けられた光素子は、植物の代謝プロセスの向上を促進するように変調されるシステム。
【請求項２３】
屋内植物栽培システムであって、
ａ）１つ以上の植物を取り付け可能な植物栽培装置と、
ｂ）予め定められた照明特性に従い、前記１つ以上の植物を照明するように構成された固定された光ポストと、
ｃ）前記１つ以上の植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、
を備え、
前記光ポストに取り付けられた光素子の１つ以上のセグメントのそれぞれが、予め定められた数および配列の光素子であって、前記セグメントの前記光素子から照射される構成光ビームが、円錐分布角の中で混合されて、前記植物栽培装置の外周部に光合成光量子束密度をもたらし、前記混合された光ビームが、栽培される前記１つ以上の植物の光合成を促進するように前記外周部に作用するように配置された光素子を備える屋内植物栽培システム。
【請求項２４】
人工授粉システムであって、
ａ）空気放出ノズルが取り付けられたポストと、
ｂ）１つ以上の、花粉を付けた植物を取り付け可能な植物栽培装置と、
ｃ）前記１つ以上の植物の瞬間的な位置を検出するセンサと、
ｄ）圧縮空気を貯蔵するための空気受けタンクと、
ｅ）前記空気タンクから延び、前記ノズルと流体連通する導管と、
ｆ）前記導管に動作可能に接続された制御バルブと、
ｇ）前記センサ及び前記制御バルブと情報のやり取りを行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記センサにより伝達された信号が、少なくとも１つの前記植物が前記ノズルに花粉を解放可能に近接していることを示すとき、予め定められた時間、前記制御バルブを開けるように指令し、それにより、その葯から花粉を解放し、前記解放された花粉を、同一のまたは隣接する植物の心皮まで空中を浮遊させて運ぶことを誘発するのに十分な高圧の圧縮空気のパルス供給が、前記ノズルに花粉を解放可能に近接した前記植物に向けられる、ように動作可能である人工授粉システム。
【請求項２５】
請求項１に記載のシステムであって、
農薬配送管による供給を受ける多方向農薬噴霧柱を前記暗い内部領域に更に備え、
前記噴霧柱は、異なる複数の方向に突出し、１つ以上のタワーに向けられる複数のノズルを備え、予め定められた量の農薬を噴霧するように構成されるシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、植物栽培システムの分野に関する。より具体的には、栄養豊富な溶液中で植物を栽培するための、屋内非土壌植物栽培システムに関する。
【０００２】
［発明の背景］
多くの人々が、経済的向上を実現し得ることを理由に都市部での暮らしに憧れている。都市は、生産性を向上すると共に、新たなイノベーションの発見や新たな企業ビジネスの創造を引き起こす、ネットワーク、集団、及び、相互作用の機会を創造する、といった方法で、多様な人々の集団と会社との両方をもたらす。都市部に住むことの他の有利な点には、利用できる文化的な活動の多さや、通勤が比較的容易であることも含まれる。
【０００３】
現在、人口の６０％が都市に住み、屋外要素から保護されている一方、食物となる植物は、屋外の厳しさにさらされている。人々は、容易に食物供給が可能となることを確実にするために、天候の良い年になることを期待する。しかしながら、幾度となく、急速に変化する気候レジームに起因して、大洪水、長期にわたる干ばつ、クラス４から５のハリケーン、そして、激しいモンスーンが、毎年、大きな被害をもたらし、数百万トンの貴重な作物を全滅させる。
【０００４】
２０５０年までには、地球の人口のほぼ８０％が、都心部に居住しうる。最新の人口統計学的傾向に対する最も控えめな推定を適用すれば、地球の人口は、この時代に約３０億人増加しうる。もし、今日のように従来の農法を続ければ、推定１０９０万平方キロメートルの新しい土地（全ブラジルよりも約２０％広い土地）が、この人口の人々を養うために十分な食物を栽培するために必要とされうる。現在では、世界を通して、作物栽培に適した土地の８０％以上が使用されている。歴史的に、そのような農業に適した土地の約１５％は、粗末な管理方法により荒廃してしまった。実際に、自然界の生物地理区が降雨量の少ない砂漠に転換されてきたように、多くの土地が破壊されてしまった。
【０００５】
屋外、または、農業地帯に配置された温室の中で、食物となる植物を栽培する従来の農法は、天候に関わる、または、害虫に関わる農作物の不作、栽培された作物を食品の流通センタまで輸送するためのコスト、作物を輸送する、及び、耕作のような農作業を実行するために用いられる、車両からの燃料排出による生態系への被害、肥料や農薬のためのコスト、農業との接点にて感染する感染症の発生、及び、農業排水による生態系被害、の観点から問題がある。
【０００６】
増加する地球の人口を支えるためには、従来の農法に関連する問題を克服する一方で、容易に利用可能な食物供給を持続するために、都市部内に配置され、環境的に制御された高層の施設の中で、どのように安全に食物を栽培するかを習得することが好ましい。
【０００７】
従来技術において、いくつかの屋内水耕システムが知られており、このシステムでは、植物栽培ユニットが順に重ねられ、水と植物栄養素との溶液が植物に導入され、さらに、自然光の必要性を排除すると共に多様な継続時間の光サイクルを可能にする人工光源を備えたパネルがそれぞれの植物栽培ユニットの上に設けられる。
【０００８】
光周性の顕花植物は、夜の長さの変化を感知したことに反応して開花する。それゆえに、光周性の顕花植物は、花芽分化が始まりうる前に連続する暗闇の期間を必要とする。しかしながら、従来技術のパネルでそのような光サイクルを模擬するためには、栽培ユニットのそれぞれの階に光パネルが必要であり、それぞれのパネルに対する専用の制御システムを必要とするためコストがかかる。加えて、これらの光パネルは自己発熱し、生成された熱を取り除くために必要とされる冷却システムを動作させるために高価である。
【０００９】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、その小さなサイズ、耐久性、長寿命、波長の特異性、比較的低温の照射面、及び、電気的な入力電流に対する線形の光子出力、といった理由で、作物の生産のための理想的な光源として知られている。ＮＡＳＡのケネディ宇宙センタでの研究は、赤色の最適波長、及び、赤色／遠赤色の割合だけでなく、一般の植物の成長に必要とされる青色光の割合についても注目した。植物の成長を向上させる緑色波長の付加もまた取り上げられた。［「ＬＥＤ照明に応じた植物の生産性（Ｐｌａｎｔ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｔｏ  ＬＥＤ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ）」  Ｇ．Ｍａｓｓａ  ｅｔ  ａｌ，ＨｏｒｔＳｃｉｅｎｃｅ，２００８年１２月，ｖｏｌ．４３，ｎｏ．７，１９５１−１９５６］
【００１０】
しかしながら、従来技術の光システムでは実質的に均等な光の分布を提供できないことが、垂直方向の寸法が大きい屋内植物栽培ユニットに対して、その光システムの実施を制限する。
【００１１】
植物を栽培するための従来技術のシステムの他の欠点は、害虫駆除が必要とされたとき、栽培スペース全体に農薬が噴霧される場合における、作業者の安全性である。この場合は、大量の農薬の使用をもたらす。しかしながら、いくつかの農薬は、環境を害するだけでなく、がんや他の健康問題を引き起こしうる。
【００１２】
本発明の目的は、安全で多様な食物を供給する持続可能な作物生産のための屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、比較的垂直方向の寸法が大きい屋内植物栽培ユニットにおいて、光合成を促進するための実質的に均等な光の分布を維持する光システムを備える屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、光周性の顕花植物により必要とされる光サイクルを模擬するために用いられる、光源の運用及び資本コストが、従来技術のコストに対して大幅に削減される屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１５】
本発明のさらに追加の目的は、自然光の周期的な性質を模擬する光源により生成される熱を取り除くための冷却システムの運用及び資本コストが、従来技術のコストに対して大幅に削減される屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、噴霧に必要とされる農薬の量を大幅に節約し、それにより、作業者が農薬にさらされることを減らすと共に、悪影響をもたらす環境を減らす屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的や有利な点は、説明が進むにつれて明らかになるだろう。
【００１８】
［発明の概要］
本発明は、それぞれが、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域を照明するように構成された複数の固定された光ポストと、所与のいずれの時刻においても光ポストの１つ以上により生成される光にさらされることが可能であるように、予め定められたタイミングシーケンスに従い、実質的に垂直な軸周りに回転可能であり、更には、モジュールの暗い内部領域を画定する少なくとも１つのモジュールとして配置され、暗い内部領域で瞬間的に配置される植物が夜間の感覚を受ける複数の植物栽培タワーと、前記タワーのそれぞれで栽培される植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、を備える屋内非土壌植物栽培システムを提供する。
【００１９】
システムは更に、少なくとも１つのモジュールの光ポストにより照射される照明特性に従い、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、午後の照明コンディション、及び、夜間コンディションに連続的にさらされるように、タワーのそれぞれを周期的に回転させるための駆動ユニットをさらに備える。駆動ユニットは、２４時間毎に完結するタワーの回転を引き起こすように構成され得る。
【００２０】
タワーのそれぞれは複数の取り付け要素と共に構成されることが好ましく、取り付け要素のそれぞれにより、対応する植物が、異なるタワー外周部に取り付けられ得て、前記外周部から外方向に成長するように促され、前記取り付け要素のグループは、タワーの異なる高さレベルに定義される。
【００２１】
タワーの１つで栽培される全ての植物の葉は、植物間の高さの違いに関わらず、所与の模擬された時間周期で、光ポストの近接する１つに取り付けられた光素子から照射される実質的に均等な光の分布にさらされる。
【００２２】
実質的に均等な光の分布を実現するために、光素子は、高さ５０ｃｍの光ポストの中に光素子４０個以上の密度を有するように十分に小さくてもよく、さらに、所与のいずれの高さにおいてもただ１つの光素子が取り付けられるように、光ポストのそれぞれに取り付けられる。光素子のセグメントは、タワー外周部に光合成光量子束密度をもたらすように、円錐分布角の中で前記セグメントの光素子から照射される構成光ビームが混合されるように配置された、予め定められた数及び配列の光素子を備え、混合された光ビームは、所与の栽培される植物に対して、光合成を促進するようにタワー外周部に作用する。それゆえに、所与の模擬された時間周期で照明される、別のタワー外周部における光合成光量子束密度が、実質的に等しい。
【００２３】
予め定められた数及び配列の光素子が、光ポストの高さに沿って、全ての他のセグメントで繰り返されることが好ましい。
【００２４】
一側面において、光素子のそれぞれは、その角度境界がタワー外周に入射する光照射角を生成するように構成された指向性レンズを備え、タワー外周への光入射の結果として、２つの隣接するタワー間のモジュールの内部領域への照射光の伝播が遮断されることを引き起こし、それにより、前記内部領域が、植物が栽培されるために予め定められた光合成有効照射レベルに満たない照射レベルまで暗くされうることを確実にする。
【００２５】
植物栽培システムは、少なくとも次の有利な点を提供する。
・輸送、組立及び維持が単純な、モジュール式の拡張可能なシステム。
・その当初の目的に関わらず、いかなる幾何学的形状を備えるいかなる既存建物にも配置可能なシステム。
・季節的需要または好機に応じた様々な作物に対する、同じ施設の中、または、同じ施設の異なる階への多数のタワーの動的な割り当て。
・施設が、屋外コンディションから分離され、それにより、屋外の気象条件及び気候に関わらず、１年の毎時毎日、植物の栽培をサポートする。
・それぞれの植物の栽培サイクルを相当短縮化し、高品質な商品の非常に早く成長させる。
・所与の領域でシステムにて栽培可能な植物の数が、従来の水耕栽培と比較して７倍以上である。
・システムのオペレーションが、植物の栽培を促進する最も重大な要素である、光、空気、及び水の組合せ利用により最適点に近づく。
・栽培される植物は、極端な気象条件及び自然災害による損傷を受けることがない。
・作物は、最大の栄養価、上質な味、及び、鮮度を有する。
・低温輸送の時間及びコストの削減。
・栽培システムがソイルレス（非土壌）であるため、従来のシステムより９５％少ない水が、作物を栽培するために必要とされる。
・温室ガスの排出なし。
・世界中で上昇傾向にある農業の盗難損失を防止する、簡単で比較的安価な閉じた周辺セキュリティ及び監視システム。
・土壌汚染物質なし。
・土地不足問題の解決。
・光合成プロセスを向上させるために、植物から放出された二酸化炭素が日中の領域に運ばれる空気循環システム。
・人工授粉。
【００２６】
本発明はまた、１つ以上の植物を取り付け可能な植物栽培装置と、予め定められた照明特性に従い、前記１つ以上の植物を照明するように構成された固定された光ポストと、前記１つ以上の植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、を備え、上記光ポストに取り付けられた光素子の１つ以上のセグメントのそれぞれが、予め定められた数および配列の光素子であって、前記セグメントの光素子から照射される構成光ビームが、円錐分布角の中で混合されて、前記植物栽培装置の外周部に光合成光量子束密度をもたらし、混合された光ビームが、栽培される前記１つ以上の植物の光合成を促進するように外周部に作用するように配置された光素子を備える、屋内植物栽培システムをも対象とする。
【００２７】
本発明はまた、空気放出ノズルが取り付けられたポストと、１つ以上の、花粉を付けた植物を取り付け可能な植物栽培装置と、前記１つ以上の植物の瞬間的な位置を検出するセンサと、圧縮空気を貯蔵するための空気受けタンクと、前記空気タンクから延び、前記ノズルと流体連通する導管と、前記導管に動作可能に接続された制御バルブと、前記センサ及び前記制御バルブと情報のやり取りを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記センサにより伝達された信号が、少なくとも１つの前記植物が前記ノズルに花粉を解放可能に近接していることを示すとき、予め定められた時間、前記制御バルブを開けるように指令し、それにより、その葯から花粉を解放し、前記解放された花粉を、同一のまたは隣接する植物の心皮まで空中を浮遊させて運ぶことを誘発するのに十分な高圧の、圧縮空気のパルス供給が、前記ノズルに花粉を解放可能に近接した前記植物に向けられる、ように動作可能である人工授粉システムをも対象とする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る植物栽培システムの平面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る植物栽培システムの平面図である。
【図３Ａ−３Ｂ】図３Ａ及び３Ｂは、２つの光ポストの概略的な側面図であり、それぞれ、光ポスト上に取り付けられた光素子の相対的な配列を示す。
【図３Ｃ】光ポストの光素子セグメントから照射され、タワー外周部に入射する光の円錐分布角の概略図である。
【図４】水耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の一実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図５】水気耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の一実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図６Ａ】水気耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の別の実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図６Ｂ】水気耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の別の実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図７】図１の灌水手段と共に用いられるタワーの外壁の一部を内側から見た正面図である。
【図８】植物栽培システムと共に用いられる灌漑流体の効率的な利用のためのリサイクリングシステムの概略図である。
【図９】タワー周辺の空気の温度を制御するための閉ループ液体循環システムの空気の温度を側面図にて示す概略図である。
【図１０】植物栽培の向上を促進するための植物栽培システムと共に用いられる空気循環装置の概略図である。
【図１１】植物栽培システムと共に用いられる人工授粉システムの概略図である。
【図１２】タワーのモジュールと共に用いられる構造部材の側面から見た斜視図である。
【図１３】図１２の構造部材の上方から見た斜視図であり、上部フレーム、及び、中心に配置されたシーリングファンを示す。
【図１４】図１３の上部フレームの側面から見た拡大斜視図であり、タワーを回転するための駆動ユニットの一実施形態を示す。
【図１５】図１３のタワー壁の側面から見た拡大斜視図であり、取り外し可能な植物サポータを示す。
【図１６】多方向噴霧柱の斜視図である。
【図１７】タワーモジュールの平面図であり、図１６の多方向噴霧柱の相対的な位置を示す。
【図１８】植物に向けられる光エネルギーを変調するために、植物栽培システムと共に用いられる制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
本発明は、複数の固定された光ポストを採用するエネルギー効率の良い屋内非土壌植物栽培システムであり、それぞれの光ポストは、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域に光を当てる。栽培される植物は、都市部の放棄された建物、または、栽培システムにより専用に用いられる工業団地内の建物でありうる、施設の内の寸法を効果的に活用するために、それぞれの光ポストと同等に垂直方向の寸法が大きい灌水手段を備えた植物栽培ユニット（以下、“タワー”という）に取り付けられる。本システムは、モジュールのタワーのそれぞれが、いかなる所与の時刻においても光ポスト１つ以上により生成される光にさらされ得るように、予め定められたタイミングシーケンスに従って、駆動ユニットにより垂直軸周りに回転されるように、予め定められた数のタワーを含むモジュールと連動して動作する。このモジュールの内部領域は、このモジュールに関連するいかなる光ポストによって生成された光にもさらされることはなく、その暗い内部領域に瞬間的に配置された植物は、夜間の感覚を受ける。
【００３０】
屋内施設は、光、湿度及び気温の条件を含む、施設の外側に存在する屋外コンディションから分離されることが好ましい。本植物栽培システムは、瞬間的な屋外のコンディションとは異なる最適な屋外の栽培コンディションを模擬することができる。その結果、制御された環境にさらされる全ての植物の葉は、それらの相互の高さの違いに関わらず、所与の模擬された時間周期で、実質的に均等な光の分布にさらされる。植物は屋外から分離されるけれども、人工授粉システムにより、果物及び種作物の生産は可能である。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係る植物栽培システム１０を平面図で概略的に図示する。植物栽培システム１０は複数のモジュールを備え、簡潔にする目的で、これらモジュール５のうちの１つが描かれる。
【００３２】
モジュール５は、対称な正方形のような構成で配置された４つの円形のタワー２ａ−ｄを含む。均等に間隔を空けられた８本の光ポスト６ａ−ｈは、１列目の光ポスト６ａ−ｃが、隣接業務用通路１１ａに隣接配置され、３列目の光ポスト６ｆ−ｈが、業務用通路１１ａとは対向する隣接業務用通路１１ｂに隣接配置され、また、２列目の光ポスト６ｄ−ｅが、モジュール５の中間領域で、１列目の光ポストと３列目の光ポストとの間に置かれる一方、図示された向きに従い、外周７の２つの側にそれぞれ配置されるように、モジュール５の仮想外周７に隣接配置される。
【００３３】
メンテナンス、植物への処置、及び、収穫の目的でタワーにアクセスするために用いられる業務用通路１１ａ及び１１ｂは、７０ｃｍの幅を有してもよい。収穫は、レールに沿って前進可能な手動カートを用いて行われてもよい。このカートは、タワーの上部領域に快適にアクセスすることを可能にするために、水理学的に持ち上げられる機能を備えていてもよい。非常に低温の気候条件での使用のために、レールは、温水がその中を流れることが可能な、一連の相互に接続された円形の中空管として構成されてもよく、施設の環境制御システムの一部として放熱をサポートする。これらのパイプは、熱を一様に拡散することを支援するために、特有の機械的外形、例えば、漏斗状の外形を有していてもよい。
【００３４】
それぞれの光ポストは、予め定められた光ポスト固有の照明特性に従って、所定角度、例えば６０度、の角度区域Ｓに沿って光を放射するように、継続的に動作してもよい。所定角度区域の設定は、ポストに取り付けられたそれぞれの光素子に指向性レンズ９を設けることによって、及び、光素子と対応するレンズとの間の選択された間隔によって、得られてもよい。それぞれの光素子もまた、設計された照射範囲を有してもよい。
【００３５】
光ポストの例示的な配置において、光ポスト６ａ、６ｃ、６ｆ及び６ｈの照明特性は、領域Ｎにて真昼の照明コンディションを模擬する。光ポスト６ｂ、６ｄ、６ｅ、及び６ｇの瞬間的な照明特性は、光強度、及び／または、光の波長に関して、領域Ｍにて午前、また、領域Ａにて午後または夕方、の照明コンディションを模擬する。暗い内部領域Ｄは、それぞれの光ポスト６ａ−ｈ上に取り付けられた光素子の限られた照明領域を越えて配置される。それゆえに、植物は、暗い領域Ｄ内に一時的に配置され、夜間の感覚を受ける。暗い領域Ｄのタワー間の距離は、タワーが直径６０ｃｍである場合、８０ｃｍで有り得る。
【００３６】
それぞれのタワー２ａ−ｄは取り付け手段１７を備え、この取り付け手段１７により、それぞれの対応する植物１９は、光ポストにさらされる一方で、タワーの外周に保持される。施設内の容積を最大限に利用するため、様々な植物が、層状に配置され、それにより、植物１９がタワーの高さ及び外周のあらゆる場所に設けられる。植物１９は、隣接する植物と干渉することなく、タワーから外方向に成長が促されるように、傾いた配置で並べられてもよい。
【００３７】
本発明の植物栽培システムは、作物の生長に最適な環境により、多くの異なる型の作物、具体的には、所与の施設の周辺に必ずしも土着のものではない高品質な作物、の生長を助け、これらの作物には、レタス、チコリ、トマト、きゅうり、トウガラシ、コショウ、及び、ほうれん草のような葉物野菜、いちご、クランベリー、ブルーベリー、及び、ラズベリーのようなベリー類、及び、風味づけのためのハーブ、食品、例えば医療大麻のような薬や化粧品、のようなハーブ類が含まれる。
【００３８】
タワーが環状構造であることで、タワー外周回りでプチトマトやぶどうの木のようなつる性植物を格子垣にからませることが促進され、モジュールの表面領域の利用を有利に最小化する。タワー上の負荷が過度になると予想される場合には、取り外し可能なサポータ２１１（図１５）が、作物の重量を支持するために、タワー外周回りの空孔２０８に差し込まれてもよい。
【００３９】
指向性レンズ９は、所与のタワー直径、及び、光ポストからタワーまでの所与の距離を考慮したときに、角度境界がタワーの表面に正接するか、または、そうでなければ、入射する、光照射角度を生成するように構成されてもよい。モジュール５の内部領域への照射光の伝播は、タワー外周に光が入射する結果、遮断され、それにより、２つの隣接するタワーの間の内部領域が、植物が生長するために、例えば９０％以上までの暗さレベルである、予め定められた光合成有効照射レベルに満たない放射レベルまで暗くなることが確実となる。暗さレベルはまた、内部領域への光の透過を遮断するのに役立つ植物の葉や枝の生長の進行によっても支援される。
【００４０】
それぞれのタワー２ａ−ｄの、中心垂直軸及び駆動ユニットを用いた回転は、２４時間毎に、その垂直軸周りの３６０度の回転を完結することにより、それぞれの植物１９が、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、午後の照明コンディション、及び、夜間のコンディションに周期的にさらされることを可能にし、従って、日常の昼夜の周期を模擬する。駆動ユニットは、電気モータ、または、油圧、または、空気圧で駆動される駆動ユニットで有り得る。
【００４１】
タワーは定速で回転する必要がないことが理解されよう。選択された植物が、特定の照明コンディションにさらされたときに開花する場合、この植物がこのような最適な照明コンディション下にある相対的な滞在時間が増加するようにしてもよい。
【００４２】
図２は、３つの回転可能なタワー２ａ−ｃを備え、暗い内部領域Ｄを提供するモジュール２５を図示し、上述したように、取り付けられた植物は、周期的に暗い内部領域Ｄにさらされる。
【００４３】
上述したモジュールの構造による暗い内部領域の画定は、この暗い領域Ｄの中に、図１６及び１７に示される多方向噴霧柱２３１を配置することにより、作業者及び他の見物人の安全に有利に寄与する。
【００４４】
直線的な、または、曲線のある構造を備えうる多方向噴霧柱２３１は、異なる方向に突出する複数のノズル２３４を備える。農薬が、例えば、埋設管を介して制御されたデューティー周期に応じて、管２３７を通して噴霧柱２３１に送られるとき、噴霧は、それぞれのノズル２３４から放射され、それぞれのタワー２ａ−ｄに向けられる。それぞれのノズル２３４の延出方向及び噴霧パターンは、タワー間の領域Ｒへの不必要な噴霧による農薬の浪費を避けるために慎重に選択される。
【００４５】
タワー２ａ−ｄは、連続的に回転されるので、全ての植物は、噴霧された農薬にさらされる。しかしながら、作業者は、通常、モジュールから外の方へ隔てられた業務用通路１１ａ−ｂ（図１）内に位置しており、それゆえに、噴霧された農薬にさらされることはない。この噴霧配置は、作業者の安全性を高めうる、且つ、有害な農薬の放出を最小化することにより、環境に対する害を大幅に削減しうる、または、実質的に除去しうる。また、効果的な害虫駆除のために必要とされる農薬の量は、大幅に削減されうる。
【００４６】
植物は、非土壌の環境にて栽培され、それゆえに、土に住む害虫による被害の影響を受けにくいけれども、それでもなお、施設の外で発芽し、タワーに取り付けられる前にすでに害虫やバクテリアに感染した小さな植物があり、それゆえに、農薬散布される必要がある。
【００４７】
図１２−１５は、植物栽培システムでの使用のための構造的特徴の例を図示している。
【００４８】
図１２に示すように、モジュール５の４つのタワー２ａ−ｄのそれぞれの垂直軸は、上方から、正方形または長方形の上部フレーム１９１に設けられた対応する台座または軸受に、下方から、底部バー１９７に設けられた台座または軸受に、回転可能に取り付けられる。上部フレーム１９１は、屋根または天井部１８９に埋め込まれ得る、または、内部を開放して屋根または天井部１８９の下に配置され得る。
【００４９】
８つの固定された光ポスト６ａ−ｈは、上部フレーム１９１に取り付けられると共に、地表面に接触して固定される。光ポスト６ａ、６ｃ、６ｆ及び６ｈは、上部フレームの対応する角から下方へ延び、残りの光ポストは、上部フレームの辺要素の中心部から外方向に延びた対応する交差部材１９４に接続される。それぞれの光ポストは、それゆえに、タワー外周から比較的近い所に決められた距離で配置され、通常、成長する葉の存在により減らされるけれども、例えば、光ポストとタワー表面との間の最小距離は、３０ｃｍである。タワーが回転する間に、植物から光ポストまでの実際の距離は、変化する。４つの底部バー１９７は、上部フレーム１９１の対応する角の下にある光ポストのそれぞれの底部から内側に延び、共に接続される。
【００５０】
上部フレーム１９１の中央の開口部は、シーリングファン１６２（図１３）の配置を容易にする。シーリングファン１６２の目的は、後述する。シーリングファン１６２は、上に横たわる天井領域に取り付けられたハンガーにより吊るされてもよく、それにより、シーリングファン１６２は、上部フレーム１９１の高さよりも上か下かを問わず、中央の開口部内に配置されてもよい。あるいは、ファン１６２の格子１６４が、上部フレーム１９１の２つ以上の辺要素１９３に接続されてもよい。
【００５１】
各タワー２ａ−ｄは、タワー外周に形成された対応する開口部を覆う、１つ以上のアクセスハッチ１９９を有する構成にされてもよい。このハッチ１９９は、タワー表面及び灌水要素の清掃または修理のため、例えば、収穫の目的のために、メンテナンス作業者が、タワーの中空コアにアクセスすることを可能にする。この中空コアはまた、大きいサイズの塊茎及び球根を備える植物の栽培を容易にする。
【００５２】
図１３に示すように、それぞれの垂直に広がる平面壁１９２が多角形の壁を定義するように、それぞれのタワーが、実質的には円形となる多角形の外周を備えるように構成されてもよい。植物がタワーに取り付けられる、垂直方向に間隔が空けられた複数の植え付け用穴２０８が、それぞれの壁１９２に形成される。植物が植え付け用穴２０８の開口に適合しない大きさを有する場合には、図１５に示される、例えば、成形ゴムまたはプラスチック製で肘型に構成される、サポータ２１１、が異なる大きさの植物の確実な取り付けを補助するために、植え付け用穴のうちの１つに、取り外し可能に挿入されてもよい。
【００５３】
例えば、それぞれの植え付け用穴が、同じ壁の隣接する植え付け用穴から、中心間で２０ｃｍ間隔を空けられたとき、高さ２４０ｃｍで直径５７ｃｍのタワーには、それぞれの壁１９２に１１つの植え付け用穴２０８が形成される。
【００５４】
壁１９２は、最適な光吸収のため、不透明な、または、黒色の材料にて作られてもよい。壁１９２の内表面には、灌漑流体を植物の根に向かわせる、例えば垂直に延びる、溝付きの排水路が設けられてもよく、それにより、流体が最大限に利用される。
【００５５】
駆動ユニットの１つの実施形態が、図１３及び１４に示される。鋸歯状車輪１９６は、それぞれのタワーの上面１９７に、それと同軸となるように、固定される。鋸歯状車輪１９６の長手方向の軸は、タワーの回転を容易にするために、上部フレームの辺要素１９３と、且つ交差部材１９４との間で、対応する連結部２００に回転可能に取り付けられる。
【００５６】
油圧、空気圧、または、電気的に駆動されうる、実質的に水平に配置される往復ピストンロッドアセンブリ２０２の末端部２０１が、辺要素１９３から下方に延びるブラケット２０７に接続される、例えば旋回可能に接続される。ピストンロッドアセンブリ２０２は、分岐したヘッド２０６を備え、ヘッド２０６は、ピストンロッドが延出されたときに、鋸歯状車輪１９６の外縁から放射状に延びる歯１９８を、その内部に受け入れ、歯１９８の側端部に力を加えるように構成され、鋸状歯車輪１９６と、鋸状歯車輪１９６に接続されたタワーとが、ピストンロッドの予め定められたストロークによって決まる個別の角度で、垂直に方向づけられた長手方向の軸周りに回転することを引き起こす。このピストンロッドは、その次に、更なる回転作動操作を見越して後退する。
【００５７】
３メートル以上の大きな高低差で共通のタワーに沿って間隔を空けて配置され得る、垂直方向に間隔の空けられた植物上に、細長い光ポストにより照射される光が、実質的に均等に分布することを確実にするために、光素子は、それぞれの光ポスト上に密に取り付けられ、例えば、いかなる高さにおいても、ただ１つの光素子が取り付けられるように、５０ｃｍの距離の間に５０個の光素子が取り付けられる。植物の栽培を最適化する植物固有の光特性を生成するために、光素子の数及び配列は正確に定められてもよい。
【００５８】
図３Ａ及び３Ｂは、光素子の例示的配列を概略的に図示し、これらの光素子の配列は、明確性のために誇張された大きさで示され、真昼の照明コンディション及び低減された光強度条件の照明コンディションを、模擬する照明特性を生成するために、それぞれ、光ポスト６ａ及び６ｂに取り付けられる。他の光素子もまた本発明の範囲内であるけれども、垂直に間隔を空けられ垂直に整列した光素子は、ＬＥＤ素子であることが好ましい。それぞれの光ポストは、連続的に動作する光素子からの放熱を最大にするために、管状であることが好ましい。もし必要であれば、光素子は、所望の波形を生成するために、選択されたデューティサイクルまたはタイムシーケンスに従って動作してもよい。
【００５９】
次の５色を照射するための光素子が図示されている。波長が４４０−４６０ｎｍであり、主に真昼の照明コンディションに用いられる青色（Ｂ）、波長が５０５−５３０ｎｍである緑色（Ｇ）、波長が６２０−６５０ｎｍであり、主に午前／午後の条件に用いられる赤色（Ｒ）、波長が６５０−６８０ｎｍである深赤色（ＤＲ）、色温度、つまり同等の色調の光を放射する理想的な黒体放射体の温度、が５０００Ｋであるクールホワイト（ＣＷ）の５色である。他の色もまた本発明の範囲内であるけれども、これらの色は、植物により必要とされる太陽光の基本のスペクトル成分を構成するものとして選択された。
【００６０】
光素子の配列は、隣接する光素子から照射される光ビームの相互作用、及び、光ポストの全長にわたる垂直方向の波長の分布、の結果として、所望の植物固有の光特性を生成するように、慎重に選択される。２つの隣接する光ポストにより生成される光特性もまた、相互に作用することができる。
【００６１】
高さＪを有する光素子３３のセグメント３１を図３Ｃに示す。セグメント３１は、垂直方向に間隔が空けられた所定数の光素子３３、例えば３０個の素子を備える。セグメント３１のそれぞれの光素子３３は、光ポスト６から距離Ｋの間隔を空けられたタワー２の外周部２７に作用する対応する光ビームを照射する。横断面が二等辺三角形を定義する等しい辺Ｌにより境界付けられる、セグメント３１から照射される光の円錐分布角３６内で、それぞれの光素子３３から照射される構成ビームは、栽培される所与の植物のために最適に光合成を刺激する光合成光量子束密度（ＰＰＦＤ）を、外周部２７にもたらすように混合される。同様に、円錐角３６に含まれる放射された光を吸収するように構成された、他のいかなる外周部２７、または、栽培される植物の全ての葉、におけるＰＰＦＤは実質的に等しい。セグメント３１の光素子の配列は、光ポスト６の高さに沿って、全ての他のセグメント、例えば、セグメント３１に隣接するセグメント３２により繰り返される。それゆえに、この光素子の配置構成は、タワー２の高さにわたり、全ての栽培される植物への実質的に均等な光の分布を促進する。
【００６２】
午前及び午後の照明コンディションは、例えば、光素子セグメントから照射される光のスペクトル成分に対応する以下の割合の相対光エネルギー、すなわち（１）波長が約４５０ｎｍの濃青色１２％、（２）波長が約６６０ｎｍの赤色６２％、（３）波長が約７３０ｎｍの赤外線７％、及び、（４）色温度４０００Ｋの白色１９％を生成することにより、模擬されうる。植物は、通常、２４時間のうちの４分の２の間、これらの午前及び午後の照明コンディションにさらされる。
【００６３】
真昼の照明条件は、例えば、光素子セグメントから照射される光のスペクトル成分に対応する以下の割合の相対光エネルギー、すなわち（１）波長が約４５０ｎｍの濃青色３４％、（２）波長が約６６０ｎｍの赤色３１％、（３）波長が約７３０ｎｍの赤外線７％、及び、（４）色温度４０００Ｋの白色２８％を生成することにより、模擬されうる。植物は、通常、２４時間の４分の１の間、これらの真昼の照明コンディションにさらされる。
【００６４】
光ポストの管状の形状は、灌漑流体がそれらの内部を通って循環することを可能にするためにも活用されうる。光ポストの密封された内部を通って流れる灌漑流体は、連続的に動作する光素子を冷却し、次に、約３０度である植物の成長を誘導する温度に加熱される。加熱された灌漑流体は、次に、植物の成長を促進するために植物に向けられる。それゆえに、通常利用されない、光源から放散された熱エネルギー源は、植物の成長を向上させるために活用される。
【００６５】
図４は、水耕法で栽培される植物への散水のための灌水手段３０の１つの実施形態を例示する。低温灌漑流体３４は、光ポスト６の内部３７に注入され、光ポストの内部を上昇するに連れて次第に加熱される。温かい灌漑流体３４は、光ポスト内部の最上部から、放出部３９を介して、例えば１Ｌ／ｍｉｎの割合で、タワー２の最上部に配置された貯水槽４６に放出される。
【００６６】
栽培されるそれぞれの植物１９は、根が灌漑流体にさらされるようにされたバスケット４１内に保持される。バスケット４１は、それぞれの植物１９が、素子９から照射される光にさらされる間に適切に成長するように、タワー２の垂直な外壁４５に固定されるか、タワー２の垂直な外壁４５と一体に形成された、例えば円筒形の、対応する傾きのある中空ホルダ４５、に順に取り付けられる。
【００６７】
対応する導管４９は、それぞれのホルダに灌漑流体を導入するように、貯水槽４６からホルダ４３に向けて、または、第１ホルダからその下の第２ホルダに向けて、下方に、例えば傾いて延びる。それぞれのホルダ４３は、垂直壁４５に対して傾いて配置されるので、導入された灌漑流体の蓄積５２は、植物１９の根がその中に浸されるために適切な高さで、ホルダの底部に集められる。その結果、植物に栄養素が供給され、それから、その下方のホルダにカスケード状に溢れ出る。使用済みで溢れ出たものは、結果的にタワー２の底部の貯水槽５４に流れ出る。それぞれの導管４９は、周囲の空気にさらされながら滝のように落ちる灌漑流体の中で酸化作用を模擬するように、半円形にしてもよい。
【００６８】
底部の貯水槽５４からの流出物は、重力により、立て管５６を通って、補助集水タンク５８に流れ出て、それから、注入口６１を介して真水が加えられる主集水タンク５９に流れ出る。混合タンク６３は、主集水タンク５９からの放出物を受ける。窒素、リン、カリウム、及び、通常土の中に見られる他の必須栄養素などの添加物は、最適な濃度、及び、正確なバランスで加えられる。エアレーションポンプ６７は、生成された灌漑流体３４を光ポストの内部３７の注入口に送る。
【００６９】
音放射体５１、例えばラウドスピーカーが植物の成長を促進しうる音響信号を生成するために、光ポスト６の外壁に取り付けられてもよい。
【００７０】
図５に例示される灌水手段７０は、水気耕栽培される植物１９への散水のために用いられてもよい。灌漑流体は、混合タンク６３から、タワー２が回転する垂直軸７４の内部に形成されるパイプ７２へ導入される。灌漑流体の調合は図４に示されたものと同様である。垂直軸７４上に、パイプ７２と流体連通するように取り付けられた、垂直方向に間隔が空けられた複数の噴霧器７６は、酸素の豊富な供給をもたらすために、植物１９の根８１に向けてミスト７９を噴出する。栽培されるそれぞれの植物１９は、タワー２の垂直壁４５に形成された開口部内にはめ込まれるバスケット４１であって、対応する傾いた支持具７７を用いて傾けて取り付けられるバスケット４１に保持され、それにより根８１が灌漑流体にさらされる。
【００７１】
タワー外壁４５に形成された開口部８９の例示的な配置構成が、図６Ａ及び６Ｂに示される。
【００７２】
同時に、予め定められたタイミングシーケンスに従う軸７４の回転は、いかなる所与の時刻においても光ポスト６の１つ以上により生成される光に植物１９がさらされることを引き起こす。それぞれの光ポストの内部は、注入される冷水８４によって冷却され、その冷水８４は、上昇するにつれて次第に加熱される。加熱された水８４は、タワー２の最上部プレート８３を通して放出され、さらに、底部の貯水槽５４にて集められる。
【００７３】
図７は、それにより水の保全性が大幅に向上する植物栽培タワーの外壁９５の構成を例示する。外壁９５は、複数の幅の狭い溝９１を有して形成され、それぞれの溝９１は、外壁に衝突して、植物に注がれることなく通常は下方に向けてタワーの底部の貯水槽に流れうる噴霧器から放出される液体、を受けるために凹んでいることが好ましい。それぞれの溝９１は、例えば、外壁９５の上端部９２から、植物栽培バスケットがはめ込まれる開口部８９の周辺まで延び、それにより、噴霧器の放出に加え、もう１つの灌水源を供給する。溝９１は、示されるように直線である必要はなく、むしろ、湾曲していてもよく、また、所望の形状または配置をとることができる。
【００７４】
図８は、灌漑流体を効率よく利用するための開ループリサイクリングシステム１１０を概略的に例示する。システム１１０において、タワーの内部に保持される植物１９の根８１は、ミスト環境を作り出すために、高圧フィードポンプ１１５により、タワー２の中心垂直パイプ７２を通して、垂直方向に間隔を空けられた噴霧器７６に送られる灌漑流体を用いて、水気耕栽培的に灌水される。
【００７５】
灌漑流体は、第１混合室１１７及びオゾン生成器１２６の両方の放出物が導入される第２混合室１２１からフィードポンプ１１５へ供給される。後者は、水中の微生物の殺菌、その結果、灌漑流体を上質にする目的のために、Ｏ２またはＯ３の形態で酸化剤を灌漑流体に注入する働きをする。第１混合室１１７において、バルブ１０６、例えば制御バルブを通して流れ込む真水と、栽培される作物のタイプにより必要とされる、窒素、リン、カリウム、及び、酸のような予め定められた量の栄養素を送る投薬ポンプ１２４、例えば蠕動投薬ポンプの放出物と、が混合される。
【００７６】
制御部１３５は、灌漑溶液の伝導率、及び、ｐＨを調節するため、且つ、灌漑溶液を、予め定められた回数噴霧器７６に送るために、フィードポンプ１１５、投薬ポンプ１２４、及び、オゾン生成器１２６と情報をやり取りする。オゾン生成器１２６は、通常、灌漑流体の適切な酸素添加を確実にするために、フィードポンプ１１５の起動前に短時間動作するように指令を受ける。制御部１３５は、それぞれのタワー２の周辺における、所望の湿度を含む予め定められた空気の質を維持するために、空調システム１３７及び局所除湿機１３９ともまた、情報をやり取りしてもよい。
【００７７】
植物の根８１により消費されない余剰の灌漑流体は、タワー２の底部で貯水槽１０１に集められる。復水ポンプは、予め定められた時刻に制御部１３５により指令を受けると、集められた灌漑流体を、導管１４６を介して使用済み流体貯蔵タンク１４２に送り、流体貯蔵タンク１４２はまた、導管１４７を介して、除湿機１３９から送られる復水を受ける。制御部１３５と情報をやり取りする再循環ポンプは、再利用流体を導管１４８及びバルブ１３８を介して第１混合室１１７に送る。バルブ１３８は、制御部１３５により指令を受ける制御バルブであってもよい。
【００７８】
空調システム１３７及び除湿機１３９（図８）に加え、それぞれのタワー周辺の空気の温度は、図９に示す閉ループ液体循環システム１５５を用いて制御されてもよい。ポンプ１５１は、光ポストに取り付けられた連続的に動作する光素子が冷却される一方で、冷却液が次第に加熱されるように、冷却液を光ポスト６の内部を通して上方に送る。光ポスト内部の最上部から放出される加熱された灌漑流体は、ポンプ１５３により加圧され、その結果、十分に高い割合で、液体−気体熱交換器、例えばラジエタを通って流れ、周囲の空気１５９が加熱されることを引き起こす。熱が失われた液体は、それから、ポンプ１５１に導入される。周囲の空気１５９の温度の上昇は、循環する液体の流量により制御されてもよい。
【００７９】
図１０は、植物栽培の向上を促進する空気循環装置を図示する。シーリングファン１６２は、モジュール５の暗い内部領域Ｄの中の上方で、中央に配置されるように取り付けられる。植物１９は、夜間の呼吸の間に二酸化炭素を放出するので、暗い内部領域Ｄは、モジュールの他の領域に対して、二酸化炭素の濃度が上昇する特徴がある。シーリングファン１６２の動作中、植物から放出される二酸化炭素、または、植物から放出される二酸化炭素で飽和した空気は、シーリングファン１６２による吸引を受け、それにより、モジュール５の外側の真昼の領域Ｎ、あるいは、午前または午後の領域に運ばれる。植物１９は、光合成を行うために、かなりの量の二酸化炭素を必要とする。植物から放出される通常は利用されない二酸化炭素を日中の領域に向かわせることができることにより、植物１９は、対応する増加された量の二酸化炭素を吸収し、その結果、光合成の間に大量の糖及び糖質を生成する一方で、成長速度の増加を有利に遂げることができる。シーリングファン１６２は、瞬間的に日中の照明コンディションで照明される領域を覆ったとき、動作を停止するようにしてもよい。
【００８０】
光合成のプロセスは、二酸化炭素や酸素や水蒸気のような、出入りするガスが、それらを通して放出される、植物の葉の、気孔または微細な開口、からの蒸発の結果、水分の損失を伴う。植物から放出された二酸化炭素を日中の領域へ運ぶことは、光合成の程度を大きくすることをもたらし、それゆえに、より水分の蒸発の割合を大きくすることさえももたらし、植物が、最適な水分バランスを維持するために、対応する増加された水分量を、その根を通して吸い上げることを誘発する。植物は、タワー中心部の高湿度に対して、タワー周囲の植物が栽培される空間において比較的低い湿度を維持するために、除湿機１３９（図８）に指令することより、その根を通して増加された水分量を吸い上げることを誘発してもよい。
【００８１】
植物の根を通した水分の吸い込みは、根からのミネラルの動き、及び、植物の至る所で糖を派生させる光合成輸送、のための主要な原動力である。植物は、最適な非土壌の環境において、制御された温度及び湿度で栽培され、屋外で栽培される同等の植物に対して非常に少量の水を消費する。根が水分や栄養素を求めて土を突き抜けるために植物のエネルギーを消費する必要がないので、未使用のエネルギーは、異なる形で植物の代謝プロセスにより利用されうる。植物がより多くのミネラルを生成するために未使用のエネルギーを利用するので、例えば、葉物野菜は、葉のパリッとした食感を実現する一方で、果物は甘くなる傾向がある。
【００８２】
植物から放出された二酸化炭素は、例えば、上部フレーム１９１（図１３）に接続されたダクトを通して日中領域に運ばれるようにしてもよいことが理解されるだろう。
【００８３】
外気だけでなく運ばれた二酸化炭素、必要に応じてこれらが混合されたものの温度は、制御部１３５により指令されたように、空調システム１３７により制御されてもよい。
【００８４】
他の実施形態においては、本発明の装置は、図１１に示す人工授粉システム１７０と同時に使用されてもよい。
【００８５】
光ポスト１７６は、空気受けタンク１７７から圧縮空気のパルス状の供給を同時に受ける、垂直方向に間隔を空けられた複数の空気放出ノズル１７３を支持する。圧縮空気を貯蔵するための空気受けタンク１７７は、次に、低湿度の領域に配置され、場合により施設の床に配置され、コンプレッサ１７４と流体連通する。コンプレッサ１７４は、タンク１７７内の圧力が予め定められた低値に満たないときに動作されると共に、タンク１７７内の圧力が予め定められた高値よりも大きいときに動作が停止される。光ポスト１７６の外側の導管１７２は、タンク１７７から延び、それぞれのノズル１７３と流体連通し、制御バルブ１７９は、タンク１７７の出口に隣接して導管１７２に動作可能に接続されてもよい。それぞれのノズル１７３は、放出される圧縮空気を円錐状パターンに案内し、植物１９、例えば苺、の雄しべへの圧縮空気の衝突を確実にし、その葯から花粉１８２を解放し、同一のまたは隣接する植物の心皮まで、花粉１８２を、空中を浮遊させて運ぶことを生じさせるための、放射状に広がる放出口を備えてもよい。
【００８６】
人工授粉システム１７０は、当然、花粉を付けた植物が、ノズル１７３と実質的に同じ高さでごく接近して確実に配置されたときにのみ、その葯からの花粉の解放を引き起こすことが可能である。タワー２が、その長手方向の軸１８４周りに、繰り返し、且つ、確実に回転可能に配置されることが、ステッピングモータ１８７により可能とされるようにしてもよい。ステッピングモータ１８７は、駆動回路から受けた指令パルスに応じて、個別に予め定められたステップ増加量でタワー２を回転するように構成される。対応するノズル１７３に対する植物の位置合わせは、各ステップの角度変位、タワーの直径、及び、タワーの周囲に取り付けられた植物の数を認識することで実現されてもよい。
【００８７】
人工授粉システム１７０の有効性は、局所的な湿度の変化を制御することにより高められてもよい。制御部１３５は、それゆえに、（１）花粉の接着性を低下させ、それにより、雄しべの花糸から、花粉をつけた葯を解放することをサポートするために、タワー２の付近の局所的な湿度を大幅に、例えば、苺に対して２０％の水準まで、低下させるように除湿機１３９に指令し、（２）所与の植物１９が、ノズル１７３に花粉を解放可能に近接して配置されるまで、いつ、または、何回のステップが行われるか、についての情報をモータ１８７の駆動回路から受け、（３）圧縮空気を所与の植物に向かわせるように、予め定められた時間、制御バルブ１７９を開けるよう指令し、（４）花粉の生存力、及び、花粉がその上に付着する柱頭の接着性を確保するために、葯の解放に続いて、タワー２の付近の局所的な湿度を大幅に、例えば、苺に対して５０％の水準まで、上昇させるように除湿機１３９に指令し、（５）授粉サイクルの終わりに制御バルブ１７９を閉じる、といった５段階の工程を実行するよう動作可能である。
【００８８】
制御バルブの開放時間は、花粉のその葯からの解放を引き起こすために十分に高い空気流量を確保するために、空気受けタンク１７７内の瞬間的な空気圧に応じて、制御部１３５により調節されてもよい。例えば、それぞれのノズル１７３は、タワー外周から３０ｃｍの間隔が空けられてもよく、空気圧は、空気がノズルから放出されるとき、ノズルの数に関わらず約６バールである。
【００８９】
図１８は、本発明の他の実施形態を例示し、本実施形態においては、植物に照射される光が変調される。
【００９０】
インドのアンナーマライ大学の植物学科の長であるＴ．Ｃ．Ｓｉｎｇｈ博士及び他の人々により行われるいくつかの研究から、音楽は植物の成長に作用すると確認されている。植物は、生成された音波の振動を感じ、より強く、且つ、より良好な植物をもたらしうる、より多くの栄養素の製造を促進するために、細胞内で原形質運動を加速しうる。［ｈｔｔｐ：／／ｈｕｂｐａｇｅｓ．ｃｏｍ／ｌｉｖｉｎｇ／ｔｈｅ−ｅｆｆｅｃｔ−ｏｆ−ｍｕｓｉｃ−ｏｎ−ｐｌａｎｔ−ｇｒｏｗｔｈ，２０１５年１１月１２日更新，２０１６年１０月３日］
【００９１】
制御システム２４０は、変調光エネルギーを、変調音波に対する植物の反応と同様に、代謝プロセスの改善を促進するように植物に導く。変調光エネルギーは、適切な伝達関数にて構成されたデジタル信号処理（ＤＳＰ）モジュール２４５により生成される。デジタル信号処理モジュール２４５は、制御部１３５（図１０）、または、いかなる他の適切なハードウェアコンポーネントに格納されてもよい。プレーヤ２４２により伝達されたオーディオファイル２４１の入力に応じて、ＤＳＰモジュール２４５は、オーディオ信号をディスクリート周波数コンポーネントに伝達し、それから、これらの周波数コンポーネントは、対応する光波形を生成するために、変調電圧コンポーネント、さらに、変調光波長コンポーネントに連続的に伝達される。ＤＳＰモジュール２４５は、植物が現在さらされている日中の光の領域に応じて、光波形の光強度もまた制御すると共に、光波形にフィルタをかける。光波形の出力は、所望の変調光ビーム２５１を生成するために、光ポストに取り付けられたＬＥＤ２４９のプログラム制御可能な電力供給部２４７に送られる。
【００９２】
他の実施形態において、タワー壁に形成された全ての植物用の穴には、システムのデータベースに記録される固有の識別子が割り当てられる。栽培されるそれぞれの植物に関する次の情報、作付け時期、成長プロトコルパラメータ、全ての所与の時刻における地理上の位置、及び、収穫の時期、は上記の識別子と紐づけられると共に、データベースに保存もされる。業務用通路に対する全ての植物の詳細なリアルタイムの地理位置情報は、植物の収穫のためのロボット工学の利用を促進する。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態が例として記載されている一方、本発明は、多くの変更、変形、及び、適応を伴って、特許請求の範囲を超えることなく、その技術を習熟した人間の範囲内で、多数の、同等かまたは代替の、解決策を利用して、実行され得ることは明らかであろう。
【図１】
2018512888.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ−３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年12月18日(2016.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屋外の栽培コンディションを模擬するための屋内非土壌植物栽培システムであって、
ａ）それぞれが、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域を照明するように構成された複数の固定された光ポストであって、前記光ポストの１つ以上の前記照明特性が、正午の照明コンディションを模擬し、前記光ポストの１つ以上の前記照明特性が、午前または午後の照明コンディションを模擬する光ポストと、
ｂ）所与のいずれの時刻においても前記光ポストの１つ以上により生成される光にさらされることが可能であり、更には、モジュールの暗い内部領域を画定する少なくとも１つのモジュールとして配置され、前記暗い内部領域によって、瞬間的に配置される植物が夜間の感覚を受ける複数の植物栽培タワーと、
ｃ）前記光ポストのそれぞれに取り付けられた複数の光素子であって、前記光素子のそれぞれが、その角度境界が１つまたは２つの前記タワー外周に入射する光照射角を生成するように構成された指向性レンズを備え、前記タワー外周への光入射の結果として、２つの隣接するタワー間の前記モジュールの内部領域への対応する照射光の伝播が遮断されることを引き起こし、それにより、前記内部領域が、植物が栽培されるために予め定められた光合成有効照射レベルに満たない照射レベルまで暗くされることを確実にする、光素子と、
ｄ）前記少なくとも１つのモジュールの前記光ポストにより照射される前記照明特性に従い、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、午後の照明コンディション、及び、夜間のコンディションに連続的にさらされるように、前記タワーのそれぞれを、２４時間毎に完結するタワーの回転によって、実質的に垂直な軸周りに、周期的に回転させるように構成される駆動ユニットと、
ｅ）前記タワーのそれぞれで栽培される植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、
を備える屋内非土壌植物栽培システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記タワーのそれぞれが複数の取り付け要素と共に構成され、
前記取り付け要素のそれぞれにより、対応する植物が、異なるタワー外周部に取り付けられ得て、前記外周部から外方向に成長するように促され、
前記取り付け要素のグループは、前記タワーの異なる高さレベルに定義されるシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、
前記タワーの１つで栽培される全ての植物の葉は、植物間の高さの違いに関わらず、所与の模擬された時間周期で、前記光ポストの近接する１つに取り付けられた前記光素子から照射される実質的に均等な光の分布にさらされるシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、
前記光素子は、高さ５０ｃｍの前記光ポストの中に光素子４０個以上の密度を有するように十分に小さく、且つ、所与のいずれの高さにおいてもただ１つの前記光素子が取り付けられるように、前記光ポストのそれぞれに取り付けられるシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムであって、
前記光素子のセグメントは、前記タワー外周部に光合成光量子束密度をもたらすように円錐分布角の中で、前記セグメントの前記光素子から照射される構成光ビームが混合されるように配置された、予め定められた数及び配列の光素子を備え、
前記混合された光ビームは、所与の栽培される植物に対して、光合成を促進するように前記タワー外周部に作用するシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、
前記所与の模擬された時間周期で照明される、別のタワー外周部における光合成光量子束密度が、実質的に等しいシステム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムであって、
前記予め定められた数及び配列の光素子が、前記光ポストの高さに沿って、全ての他のセグメントで繰り返されるシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、更に、
栽培される植物の型により必要とされる予め定められた量の栄養素を送る投薬ポンプと、
予め定められた回数、前記灌水手段へ配送可能な灌漑溶液の伝導率及びｐＨを調節するために動作可能な前記投薬ポンプと情報のやり取りを行う制御部と、
を備えるシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、
前記屋内施設は、前記施設の外に存在する屋外のコンディションから分離されるシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、更に、
前記屋内施設の中で、果物及び種作物の生産を促進するための人工授粉システムを備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記人工授粉システムは、前記光ポストのそれぞれにより支持される、垂直方向に間隔が空けられた複数の空気放出ノズルを備え、空気受けタンクから前記ノズルにより同時に受け取られる圧縮空気のパルス供給が、前記ノズルに接近して瞬間的に配置される植物の葯から花粉を解放することを引き起こすように機能するシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記人工授粉システムは、更に、
前記空気タンクから延び、前記ノズルのそれぞれと流体連通する前記光ポストの外側に位置する導管と、
前記導管に動作可能に接続され、圧縮空気の圧力を調節する制御部と情報のやり取りを行う制御バルブと、
を備えるシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記人工授粉システムは、
前記モジュールの各タワー付近の局所的な空気の湿度を制御するためのユニットを更に備え、
前記制御部は、
ａ）花粉の解放をサポートするために花粉の接着性を十分に低下させることを確実にするレベルまで、前記局所的な湿度を大幅に低下させるように前記ユニットに指令し、
ｂ）所与の植物が、いつ前記ノズルに花粉を解放可能に近接して配置されるかに関する情報を、前記駆動ユニットと関連するデータソースから受け、
ｃ）予め定められた時間、前記制御バルブを開けるよう指令して、前記圧縮空気を前記所与の植物に向かわせ、
ｄ）花粉の生存力を確保するために、花粉の解放に続いて、前記局所的な湿度を大幅に上昇させるように前記ユニットに指令し、
ｅ）授粉サイクルの終わりに、前記制御バルブを閉じる
ように動作可能であるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、
前記ユニットは、空調機及び除湿機であるシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムであって、更に、
前記モジュールの暗い内部領域の中及び上方で、中央に配置されるように取り付けられるシーリングファンであって、動作時に、植物から放出される二酸化炭素が、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、または、午後の照明コンディションにより特徴づけられる前記モジュールの外側の領域に運ばれることを引き起こし、対応する増加した量の二酸化炭素を吸収する結果として植物の成長速度の増加を誘発するシーリングファンを備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１に記載のシステムであって、更に、
植物の根で消費されない余剰の灌漑流体を再利用するための開ループリサイクリングシステムを備えるシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記光ポストのそれぞれに取り付けられた前記光素子は、連続的に動作し、且つ、前記光ポストの内部を通って導入される冷却液を用いて冷却されるシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムであって、
前記冷却液は、灌漑流体であるシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記光ポストのそれぞれに取り付けられた前記光素子は、植物の代謝プロセスの向上を促進するように変調されるシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載のシステムであって、
農薬配送管による供給を受ける多方向農薬噴霧柱を前記暗い内部領域に更に備え、
前記噴霧柱は、異なる複数の方向に突出し、１つ以上のタワーに向けられる複数のノズルを備え、予め定められた量の農薬を噴霧するように構成されるシステム。
【請求項２１】
屋内植物栽培システムであって、
ａ）１つ以上の植物を取り付け可能な植物栽培装置と、
ｂ）予め定められた照明特性に従い、前記１つ以上の植物を照明するように構成された固定された光ポストと、
ｃ）前記１つ以上の植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、
を備え、
前記光ポストに取り付けられた光素子の１つ以上のセグメントのそれぞれが、予め定められた数および配列の光素子であって、前記セグメントの前記光素子から照射される構成光ビームが、円錐分布角の中で混合されて、前記植物栽培装置の外周部に光合成光量子束密度をもたらし、前記混合された光ビームが、栽培される前記１つ以上の植物の光合成を促進するように前記外周部に作用するように配置された光素子を備え、
前記光ポストに取り付けられた前記光素子は、植物の代謝プロセスの向上を促進するように変調される屋内植物栽培システム。
【請求項２２】
人工授粉システムであって、
ａ）空気放出ノズルが取り付けられた光ポストと、
ｂ）回転可能な植物栽培タワーであって、１つ以上の花粉を付けた植物を取り付け可能な植物栽培タワーと、
ｃ）前記１つ以上の植物の瞬間的な位置を検出するセンサと、
ｄ）圧縮空気を貯蔵するための空気受けタンクと、
ｅ）前記空気タンクから延び、前記ノズルと流体連通する導管と、
ｆ）前記導管に動作可能に接続された制御バルブと、
ｇ）前記植物栽培タワー付近の局所的な空気の湿度を制御するためのユニットと、
ｈ）前記センサ、前記制御バルブ、及び前記ユニットと情報のやり取りを行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、
ｉ．花粉の解放をサポートするために花粉の接着性を十分に低下させることを確実にするレベルまで、前記局所的な湿度を大幅に低下するように前記ユニットに指令し、
ｉｉ．前記センサにより伝達された信号が、少なくとも１つの前記植物が前記ノズルに花粉を解放可能に近接していることを示すとき、予め定められた時間、前記制御バルブを開けるように指令し、それにより、その葯から花粉を解放し、前記解放された花粉を、同一のまたは隣接する植物の心皮まで空中を浮遊させて運ぶことを誘発するのに十分な高圧の圧縮空気のパルス供給が、前記ノズルに花粉を解放可能に近接した前記植物に向けられ、
ｉｉｉ．花粉の生存力を確保するために、花粉の解放に続いて、前記局所的な湿度を大幅に上昇させるように前記ユニットに指令し、
ｉｖ．授粉サイクルの終わりに、前記制御バルブを閉じる
ように動作可能である人工授粉システム。
【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】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、植物栽培システムの分野に関する。より具体的には、栄養豊富な溶液中で植物を栽培するための、屋内非土壌植物栽培システムに関する。
【０００２】
［発明の背景］
多くの人々が、経済的向上を実現し得ることを理由に都市部での暮らしに憧れている。都市は、生産性を向上すると共に、新たなイノベーションの発見や新たな企業ビジネスの創造を引き起こす、ネットワーク、集団、及び、相互作用の機会を創造する、といった方法で、多様な人々の集団と会社との両方をもたらす。都市部に住むことの他の有利な点には、利用できる文化的な活動の多さや、通勤が比較的容易であることも含まれる。
【０００３】
現在、人口の６０％が都市に住み、屋外要素から保護されている一方、食物となる植物は、屋外の厳しさにさらされている。人々は、容易に食物供給が可能となることを確実にするために、天候の良い年になることを期待する。しかしながら、幾度となく、急速に変化する気候レジームに起因して、大洪水、長期にわたる干ばつ、クラス４から５のハリケーン、そして、激しいモンスーンが、毎年、大きな被害をもたらし、数百万トンの貴重な作物を全滅させる。
【０００４】
２０５０年までには、地球の人口のほぼ８０％が、都心部に居住しうる。最新の人口統計学的傾向に対する最も控えめな推定を適用すれば、地球の人口は、この時代に約３０億人増加しうる。もし、今日のように従来の農法を続ければ、推定１０９０万平方キロメートルの新しい土地（全ブラジルよりも約２０％広い土地）が、この人口の人々を養うために十分な食物を栽培するために必要とされうる。現在では、世界を通して、作物栽培に適した土地の８０％以上が使用されている。歴史的に、そのような農業に適した土地の約１５％は、粗末な管理方法により荒廃してしまった。実際に、自然界の生物地理区が降雨量の少ない砂漠に転換されてきたように、多くの土地が破壊されてしまった。
【０００５】
屋外、または、農業地帯に配置された温室の中で、食物となる植物を栽培する従来の農法は、天候に関わる、または、害虫に関わる農作物の不作、栽培された作物を食品の流通センタまで輸送するためのコスト、作物を輸送する、及び、耕作のような農作業を実行するために用いられる、車両からの燃料排出による生態系への被害、肥料や農薬のためのコスト、農業との接点にて感染する感染症の発生、及び、農業排水による生態系被害、の観点から問題がある。
【０００６】
増加する地球の人口を支えるためには、従来の農法に関連する問題を克服する一方で、容易に利用可能な食物供給を持続するために、都市部内に配置され、環境的に制御された高層の施設の中で、どのように安全に食物を栽培するかを習得することが好ましい。
【０００７】
従来技術において、いくつかの屋内水耕システムが知られており、このシステムでは、植物栽培ユニットが順に重ねられ、水と植物栄養素との溶液が植物に導入され、さらに、自然光の必要性を排除すると共に多様な継続時間の光サイクルを可能にする人工光源を備えたパネルがそれぞれの植物栽培ユニットの上に設けられる。
【０００８】
光周性の顕花植物は、夜の長さの変化を感知したことに反応して開花する。それゆえに、光周性の顕花植物は、花芽分化が始まりうる前に連続する暗闇の期間を必要とする。しかしながら、従来技術のパネルでそのような光サイクルを模擬するためには、栽培ユニットのそれぞれの階に光パネルが必要であり、それぞれのパネルに対する専用の制御システムを必要とするためコストがかかる。加えて、これらの光パネルは自己発熱し、生成された熱を取り除くために必要とされる冷却システムを動作させるために高価である。
【０００９】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、その小さなサイズ、耐久性、長寿命、波長の特異性、比較的低温の照射面、及び、電気的な入力電流に対する線形の光子出力、といった理由で、作物の生産のための理想的な光源として知られている。ＮＡＳＡのケネディ宇宙センタでの研究は、赤色の最適波長、及び、赤色／遠赤色の割合だけでなく、一般の植物の成長に必要とされる青色光の割合についても注目した。植物の成長を向上させる緑色波長の付加もまた取り上げられた。［「ＬＥＤ照明に応じた植物の生産性（Ｐｌａｎｔ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｔｏ  ＬＥＤ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ）」  Ｇ．Ｍａｓｓａ  ｅｔ  ａｌ，ＨｏｒｔＳｃｉｅｎｃｅ，２００８年１２月，ｖｏｌ．４３，ｎｏ．７，１９５１−１９５６］
【００１０】
しかしながら、従来技術の光システムでは実質的に均等な光の分布を提供できないことが、垂直方向の寸法が大きい屋内植物栽培ユニットに対して、その光システムの実施を制限する。
【００１１】
植物を栽培するための従来技術のシステムの他の欠点は、害虫駆除が必要とされたとき、栽培スペース全体に農薬が噴霧される場合における、作業者の安全性である。この場合は、大量の農薬の使用をもたらす。しかしながら、いくつかの農薬は、環境を害するだけでなく、がんや他の健康問題を引き起こしうる。
【００１２】
本発明の目的は、安全で多様な食物を供給する持続可能な作物生産のための屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、比較的垂直方向の寸法が大きい屋内植物栽培ユニットにおいて、光合成を促進するための実質的に均等な光の分布を維持する光システムを備える屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、光周性の顕花植物により必要とされる光サイクルを模擬するために用いられる、光源の運用及び資本コストが、従来技術のコストに対して大幅に削減される屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１５】
本発明のさらに追加の目的は、自然光の周期的な性質を模擬する光源により生成される熱を取り除くための冷却システムの運用及び資本コストが、従来技術のコストに対して大幅に削減される屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、噴霧に必要とされる農薬の量を大幅に節約し、それにより、作業者が農薬にさらされることを減らすと共に、悪影響をもたらす環境を減らす屋内非土壌栽培システムを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的や有利な点は、説明が進むにつれて明らかになるだろう。
【００１８】
［発明の概要］
本発明は、それぞれが、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域を照明するように構成された複数の固定された光ポストと、所与のいずれの時刻においても光ポストの１つ以上により生成される光にさらされることが可能であるように、予め定められたタイミングシーケンスに従い、実質的に垂直な軸周りに回転可能であり、更には、モジュールの暗い内部領域を画定する少なくとも１つのモジュールとして配置され、暗い内部領域で瞬間的に配置される植物が夜間の感覚を受ける複数の植物栽培タワーと、前記タワーのそれぞれで栽培される植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、を備える屋内非土壌植物栽培システムを提供する。
【００１９】
システムは更に、少なくとも１つのモジュールの光ポストにより照射される照明特性に従い、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、午後の照明コンディション、及び、夜間コンディションに連続的にさらされるように、タワーのそれぞれを周期的に回転させるための駆動ユニットをさらに備える。駆動ユニットは、２４時間毎に完結するタワーの回転を引き起こすように構成され得る。
【００２０】
タワーのそれぞれは複数の取り付け要素と共に構成されることが好ましく、取り付け要素のそれぞれにより、対応する植物が、異なるタワー外周部に取り付けられ得て、前記外周部から外方向に成長するように促され、前記取り付け要素のグループは、タワーの異なる高さレベルに定義される。
【００２１】
タワーの１つで栽培される全ての植物の葉は、植物間の高さの違いに関わらず、所与の模擬された時間周期で、光ポストの近接する１つに取り付けられた光素子から照射される実質的に均等な光の分布にさらされる。
【００２２】
実質的に均等な光の分布を実現するために、光素子は、高さ５０ｃｍの光ポストの中に光素子４０個以上の密度を有するように十分に小さくてもよく、さらに、所与のいずれの高さにおいてもただ１つの光素子が取り付けられるように、光ポストのそれぞれに取り付けられる。光素子のセグメントは、タワー外周部に光合成光量子束密度をもたらすように、円錐分布角の中で前記セグメントの光素子から照射される構成光ビームが混合されるように配置された、予め定められた数及び配列の光素子を備え、混合された光ビームは、所与の栽培される植物に対して、光合成を促進するようにタワー外周部に作用する。それゆえに、所与の模擬された時間周期で照明される、別のタワー外周部における光合成光量子束密度が、実質的に等しい。
【００２３】
予め定められた数及び配列の光素子が、光ポストの高さに沿って、全ての他のセグメントで繰り返されることが好ましい。
【００２４】
一側面において、光素子のそれぞれは、その角度境界がタワー外周に入射する光照射角を生成するように構成された指向性レンズを備え、タワー外周への光入射の結果として、２つの隣接するタワー間のモジュールの内部領域への照射光の伝播が遮断されることを引き起こし、それにより、前記内部領域が、植物が栽培されるために予め定められた光合成有効照射レベルに満たない照射レベルまで暗くされうることを確実にする。
【００２５】
植物栽培システムは、少なくとも次の有利な点を提供する。
・輸送、組立及び維持が単純な、モジュール式の拡張可能なシステム。
・その当初の目的に関わらず、いかなる幾何学的形状を備えるいかなる既存建物にも配置可能なシステム。
・季節的需要または好機に応じた様々な作物に対する、同じ施設の中、または、同じ施設の異なる階への多数のタワーの動的な割り当て。
・施設が、屋外コンディションから分離され、それにより、屋外の気象条件及び気候に関わらず、１年の毎時毎日、植物の栽培をサポートする。
・それぞれの植物の栽培サイクルを相当短縮化し、高品質な商品の非常に早く成長させる。
・所与の領域でシステムにて栽培可能な植物の数が、従来の水耕栽培と比較して７倍以上である。
・システムのオペレーションが、植物の栽培を促進する最も重大な要素である、光、空気、及び水の組合せ利用により最適点に近づく。
・栽培される植物は、極端な気象条件及び自然災害による損傷を受けることがない。
・作物は、最大の栄養価、上質な味、及び、鮮度を有する。
・低温輸送の時間及びコストの削減。
・栽培システムがソイルレス（非土壌）であるため、従来のシステムより９５％少ない水が、作物を栽培するために必要とされる。
・温室ガスの排出なし。
・世界中で上昇傾向にある農業の盗難損失を防止する、簡単で比較的安価な閉じた周辺セキュリティ及び監視システム。
・土壌汚染物質なし。
・土地不足問題の解決。
・光合成プロセスを向上させるために、植物から放出された二酸化炭素が日中の領域に運ばれる空気循環システム。
・人工授粉。
【００２６】
本発明はまた、１つ以上の植物を取り付け可能な植物栽培装置と、予め定められた照明特性に従い、前記１つ以上の植物を照明するように構成された固定された光ポストと、前記１つ以上の植物に、栄養素に富んだ溶液を供給する灌水手段と、を備え、上記光ポストに取り付けられた光素子の１つ以上のセグメントのそれぞれが、予め定められた数および配列の光素子であって、前記セグメントの光素子から照射される構成光ビームが、円錐分布角の中で混合されて、前記植物栽培装置の外周部に光合成光量子束密度をもたらし、混合された光ビームが、栽培される前記１つ以上の植物の光合成を促進するように外周部に作用するように配置された光素子を備える、屋内植物栽培システムをも対象とする。
【００２７】
本発明はまた、空気放出ノズルが取り付けられたポストと、１つ以上の、花粉を付けた植物を取り付け可能な植物栽培装置と、前記１つ以上の植物の瞬間的な位置を検出するセンサと、圧縮空気を貯蔵するための空気受けタンクと、前記空気タンクから延び、前記ノズルと流体連通する導管と、前記導管に動作可能に接続された制御バルブと、前記センサ及び前記制御バルブと情報のやり取りを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記センサにより伝達された信号が、少なくとも１つの前記植物が前記ノズルに花粉を解放可能に近接していることを示すとき、予め定められた時間、前記制御バルブを開けるように指令し、それにより、その葯から花粉を解放し、前記解放された花粉を、同一のまたは隣接する植物の心皮まで空中を浮遊させて運ぶことを誘発するのに十分な高圧の、圧縮空気のパルス供給が、前記ノズルに花粉を解放可能に近接した前記植物に向けられる、ように動作可能である人工授粉システムをも対象とする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る植物栽培システムの平面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係る植物栽培システムの平面図である。
【図３Ａ−３Ｂ】図３Ａ及び３Ｂは、２つの光ポストの概略的な側面図であり、それぞれ、光ポスト上に取り付けられた光素子の相対的な配列を示す。
【図３Ｃ】光ポストの光素子セグメントから照射され、タワー外周部に入射する光の円錐分布角の概略図である。
【図４】水耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の一実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図５】水気耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の一実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図６Ａ】水気耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の別の実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図６Ｂ】水気耕栽培される植物に灌水するための灌水手段の別の実施形態を、正面図にて示す概略図である。
【図７】図１の灌水手段と共に用いられるタワーの外壁の一部を内側から見た正面図である。
【図８】植物栽培システムと共に用いられる灌漑流体の効率的な利用のためのリサイクリングシステムの概略図である。
【図９】タワー周辺の空気の温度を制御するための閉ループ液体循環システムの空気の温度を側面図にて示す概略図である。
【図１０】植物栽培の向上を促進するための植物栽培システムと共に用いられる空気循環装置の概略図である。
【図１１】植物栽培システムと共に用いられる人工授粉システムの概略図である。
【図１２】タワーのモジュールと共に用いられる構造部材の側面から見た斜視図である。
【図１３】図１２の構造部材の上方から見た斜視図であり、上部フレーム、及び、中心に配置されたシーリングファンを示す。
【図１４】図１３の上部フレームの側面から見た拡大斜視図であり、タワーを回転するための駆動ユニットの一実施形態を示す。
【図１５】図１３のタワー壁の側面から見た拡大斜視図であり、取り外し可能な植物サポータを示す。
【図１６】多方向噴霧柱の斜視図である。
【図１７】タワーモジュールの平面図であり、図１６の多方向噴霧柱の相対的な位置を示す。
【図１８】植物に向けられる光エネルギーを変調するために、植物栽培システムと共に用いられる制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
本発明は、複数の固定された光ポストを採用するエネルギー効率の良い屋内非土壌植物栽培システムであり、それぞれの光ポストは、予め定められた照明特性に従って、屋内施設の予め定められた区域に光を当てる。栽培される植物は、都市部の放棄された建物、または、栽培システムにより専用に用いられる工業団地内の建物でありうる、施設の内の寸法を効果的に活用するために、それぞれの光ポストと同等に垂直方向の寸法が大きい灌水手段を備えた植物栽培ユニット（以下、“タワー”という）に取り付けられる。本システムは、モジュールのタワーのそれぞれが、いかなる所与の時刻においても光ポスト１つ以上により生成される光にさらされ得るように、予め定められたタイミングシーケンスに従って、駆動ユニットにより垂直軸周りに回転されるように、予め定められた数のタワーを含むモジュールと連動して動作する。このモジュールの内部領域は、このモジュールに関連するいかなる光ポストによって生成された光にもさらされることはなく、その暗い内部領域に瞬間的に配置された植物は、夜間の感覚を受ける。
【００３０】
屋内施設は、光、湿度及び気温の条件を含む、施設の外側に存在する屋外コンディションから分離されることが好ましい。本植物栽培システムは、瞬間的な屋外のコンディションとは異なる最適な屋外の栽培コンディションを模擬することができる。その結果、制御された環境にさらされる全ての植物の葉は、それらの相互の高さの違いに関わらず、所与の模擬された時間周期で、実質的に均等な光の分布にさらされる。植物は屋外から分離されるけれども、人工授粉システムにより、果物及び種作物の生産は可能である。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係る植物栽培システム１０を平面図で概略的に図示する。植物栽培システム１０は複数のモジュールを備え、簡潔にする目的で、これらモジュール５のうちの１つが描かれる。
【００３２】
モジュール５は、対称な正方形のような構成で配置された４つの円形のタワー２ａ−ｄを含む。均等に間隔を空けられた８本の光ポスト６ａ−ｈは、１列目の光ポスト６ａ−ｃが、隣接業務用通路１１ａに隣接配置され、３列目の光ポスト６ｆ−ｈが、業務用通路１１ａとは対向する隣接業務用通路１１ｂに隣接配置され、また、２列目の光ポスト６ｄ−ｅが、モジュール５の中間領域で、１列目の光ポストと３列目の光ポストとの間に置かれる一方、図示された向きに従い、外周７の２つの側にそれぞれ配置されるように、モジュール５の仮想外周７に隣接配置される。
【００３３】
メンテナンス、植物への処置、及び、収穫の目的でタワーにアクセスするために用いられる業務用通路１１ａ及び１１ｂは、７０ｃｍの幅を有してもよい。収穫は、レールに沿って前進可能な手動カートを用いて行われてもよい。このカートは、タワーの上部領域に快適にアクセスすることを可能にするために、水理学的に持ち上げられる機能を備えていてもよい。非常に低温の気候条件での使用のために、レールは、温水がその中を流れることが可能な、一連の相互に接続された円形の中空管として構成されてもよく、施設の環境制御システムの一部として放熱をサポートする。これらのパイプは、熱を一様に拡散することを支援するために、特有の機械的外形、例えば、漏斗状の外形を有していてもよい。
【００３４】
それぞれの光ポストは、予め定められた光ポスト固有の照明特性に従って、所定角度、例えば６０度、の角度区域Ｓに沿って光を放射するように、継続的に動作してもよい。所定角度区域の設定は、ポストに取り付けられたそれぞれの光素子に指向性レンズ９を設けることによって、及び、光素子と対応するレンズとの間の選択された間隔によって、得られてもよい。それぞれの光素子もまた、設計された照射範囲を有してもよい。
【００３５】
光ポストの例示的な配置において、光ポスト６ａ、６ｃ、６ｆ及び６ｈの照明特性は、領域Ｎにて真昼の照明コンディションを模擬する。光ポスト６ｂ、６ｄ、６ｅ、及び６ｇの瞬間的な照明特性は、光強度、及び／または、光の波長に関して、領域Ｍにて午前、また、領域Ａにて午後または夕方、の照明コンディションを模擬する。暗い内部領域Ｄは、それぞれの光ポスト６ａ−ｈ上に取り付けられた光素子の限られた照明領域を越えて配置される。それゆえに、植物は、暗い領域Ｄ内に一時的に配置され、夜間の感覚を受ける。暗い領域Ｄのタワー間の距離は、タワーが直径６０ｃｍである場合、８０ｃｍで有り得る。
【００３６】
それぞれのタワー２ａ−ｄは取り付け手段１７を備え、この取り付け手段１７により、それぞれの対応する植物１９は、光ポストにさらされる一方で、タワーの外周に保持される。施設内の容積を最大限に利用するため、様々な植物が、層状に配置され、それにより、植物１９がタワーの高さ及び外周のあらゆる場所に設けられる。植物１９は、隣接する植物と干渉することなく、タワーから外方向に成長が促されるように、傾いた配置で並べられてもよい。
【００３７】
本発明の植物栽培システムは、作物の生長に最適な環境により、多くの異なる型の作物、具体的には、所与の施設の周辺に必ずしも土着のものではない高品質な作物、の生長を助け、これらの作物には、レタス、チコリ、トマト、きゅうり、トウガラシ、コショウ、及び、ほうれん草のような葉物野菜、いちご、クランベリー、ブルーベリー、及び、ラズベリーのようなベリー類、及び、風味づけのためのハーブ、食品、例えば医療大麻のような薬や化粧品、のようなハーブ類が含まれる。
【００３８】
タワーが環状構造であることで、タワー外周回りでプチトマトやぶどうの木のようなつる性植物を格子垣にからませることが促進され、モジュールの表面領域の利用を有利に最小化する。タワー上の負荷が過度になると予想される場合には、取り外し可能なサポータ２１１（図１５）が、作物の重量を支持するために、タワー外周回りの空孔２０８に差し込まれてもよい。
【００３９】
指向性レンズ９は、所与のタワー直径、及び、光ポストからタワーまでの所与の距離を考慮したときに、角度境界がタワーの表面に正接するか、または、そうでなければ、入射する、光照射角度を生成するように構成されてもよい。モジュール５の内部領域への照射光の伝播は、タワー外周に光が入射する結果、遮断され、それにより、２つの隣接するタワーの間の内部領域が、植物が生長するために、例えば９０％以上までの暗さレベルである、予め定められた光合成有効照射レベルに満たない放射レベルまで暗くなることが確実となる。暗さレベルはまた、内部領域への光の透過を遮断するのに役立つ植物の葉や枝の生長の進行によっても支援される。
【００４０】
それぞれのタワー２ａ−ｄの、中心垂直軸及び駆動ユニットを用いた回転は、２４時間毎に、その垂直軸周りの３６０度の回転を完結することにより、それぞれの植物１９が、午前の照明コンディション、真昼の照明コンディション、午後の照明コンディション、及び、夜間のコンディションに周期的にさらされることを可能にし、従って、日常の昼夜の周期を模擬する。駆動ユニットは、電気モータ、または、油圧、または、空気圧で駆動される駆動ユニットで有り得る。
【００４１】
タワーは定速で回転する必要がないことが理解されよう。選択された植物が、特定の照明コンディションにさらされたときに開花する場合、この植物がこのような最適な照明コンディション下にある相対的な滞在時間が増加するようにしてもよい。
【００４２】
図２は、３つの回転可能なタワー２ａ−ｃを備え、暗い内部領域Ｄを提供するモジュール２５を図示し、上述したように、取り付けられた植物は、周期的に暗い内部領域Ｄにさらされる。
【００４３】
上述したモジュールの構造による暗い内部領域の画定は、この暗い領域Ｄの中に、図１６及び１７に示される多方向噴霧柱２３１を配置することにより、作業者及び他の見物人の安全に有利に寄与する。
【００４４】
直線的な、または、曲線のある構造を備えうる多方向噴霧柱２３１は、異なる方向に突出する複数のノズル２３４を備える。農薬が、例えば、埋設管を介して制御されたデューティー周期に応じて、管２３７を通して噴霧柱２３１に送られるとき、噴霧は、それぞれのノズル２３４から放射され、それぞれのタワー２ａ−ｄに向けられる。それぞれのノズル２３４の延出方向及び噴霧パターンは、タワー間の領域Ｒへの不必要な噴霧による農薬の浪費を避けるために慎重に選択される。
【００４５】
タワー２ａ−ｄは、連続的に回転されるので、全ての植物は、噴霧された農薬にさらされる。しかしながら、作業者は、通常、モジュールから外の方へ隔てられた業務用通路１１ａ−ｂ（図１）内に位置しており、それゆえに、噴霧された農薬にさらされることはない。この噴霧配置は、作業者の安全性を高めうる、且つ、有害な農薬の放出を最小化することにより、環境に対する害を大幅に削減しうる、または、実質的に除去しうる。また、効果的な害虫駆除のために必要とされる農薬の量は、大幅に削減されうる。
【００４６】
植物は、非土壌の環境にて栽培され、それゆえに、土に住む害虫による被害の影響を受けにくいけれども、それでもなお、施設の外で発芽し、タワーに取り付けられる前にすでに害虫やバクテリアに感染した小さな植物があり、それゆえに、農薬散布される必要がある。
【００４７】
図１２−１５は、植物栽培システムでの使用のための構造的特徴の例を図示している。
【００４８】
図１２に示すように、モジュール５の４つのタワー２ａ−ｄのそれぞれの垂直軸は、上方から、正方形または長方形の上部フレーム１９１に設けられた対応する台座または軸受に、下方から、底部バー１９７に設けられた台座または軸受に、回転可能に取り付けられる。上部フレーム１９１は、屋根または天井部１８９に埋め込まれ得る、または、内部を開放して屋根または天井部１８９の下に配置され得る。
【００４９】
８つの固定された光ポスト６ａ−ｈは、上部フレーム１９１に取り付けられると共に、地表面に接触して固定される。光ポスト６ａ、６ｃ、６ｆ及び６ｂは、上部フレームの対応する角から下方へ延び、残りの光ポストは、上部フレームの辺要素の中心部から外方向に延びた対応する交差部材１９４に接続される。それぞれの光ポストは、それゆえに、タワー外周から比較的近い所に決められた距離で配置され、通常、成長する葉の存在により減らされるけれども、例えば、光ポストとタワー表面との間の最小距離は、３０ｃｍである。タワーが回転する間に、植物から光ポストまでの実際の距離は、変化する。４つの底部バー１９７は、上部フレーム１９１の対応する角の下にある光ポストのそれぞれの底部から内側に延び、共に接続される。
【００５０】
上部フレーム１９１の中央の開口部は、シーリングファン１６２（図１３）の配置を容易にする。シーリングファン１６２の目的は、後述する。シーリングファン１６２は、上に横たわる天井領域に取り付けられたハンガーにより吊るされてもよく、それにより、シーリングファン１６２は、上部フレーム１９１の高さよりも上か下かを問わず、中央の開口部内に配置されてもよい。あるいは、ファン１６２の格子１６４が、上部フレーム１９１の２つ以上の辺要素１９３に接続されてもよい。
【００５１】
各タワー２ａ−ｄは、タワー外周に形成された対応する開口部を覆う、１つ以上のアクセスハッチ１９９を有する構成にされてもよい。このハッチ１９９は、タワー表面及び灌水要素の清掃または修理のため、例えば、収穫の目的のために、メンテナンス作業者が、タワーの中空コアにアクセスすることを可能にする。この中空コアはまた、大きいサイズの塊茎及び球根を備える植物の栽培を容易にする。
【００５２】
図１３に示すように、それぞれの垂直に広がる平面壁１９２が多角形の壁を定義するように、それぞれのタワーが、実質的には円形となる多角形の外周を備えるように構成されてもよい。植物がタワーに取り付けられる、垂直方向に間隔が空けられた複数の植え付け用穴２０８が、それぞれの壁１９２に形成される。植物が植え付け用穴２０８の開口に適合しない大きさを有する場合には、図１５に示される、例えば、成形ゴムまたはプラスチック製で肘型に構成される、サポータ２１１、が異なる大きさの植物の確実な取り付けを補助するために、植え付け用穴のうちの１つに、取り外し可能に挿入されてもよい。
【００５３】
例えば、それぞれの植え付け用穴が、同じ壁の隣接する植え付け用穴から、中心間で２０ｃｍ間隔を空けられたとき、高さ２４０ｃｍで直径５７ｃｍのタワーには、それぞれの壁１９２に１１つの植え付け用穴２０８が形成される。
【００５４】
壁１９２は、最適な光吸収のため、不透明な、または、黒色の材料にて作られてもよい。壁１９２の内表面には、灌漑流体を植物の根に向かわせる、例えば垂直に延びる、溝付きの排水路が設けられてもよく、それにより、流体が最大限に利用される。
【００５５】
駆動ユニットの１つの実施形態が、図１３及び１４に示される。鋸歯状車輪１９６は、それぞれのタワーの上面１９７に、それと同軸となるように、固定される。鋸歯状車輪１９６の長手方向の軸は、タワーの回転を容易にするために、上部フレームの辺要素１９３と、且つ交差部材１９４との間で、対応する連結部２００に回転可能に取り付けられる。
【００５６】
油圧、空気圧、または、電気的に駆動されうる、実質的に水平に配置される往復ピストンロッドアセンブリ２０２の末端部２０１が、辺要素１９３から下方に延びるブラケット２０７に接続される、例えば旋回可能に接続される。ピストンロッドアセンブリ２０２は、分岐したヘッド２０６を備え、ヘッド２０６は、ピストンロッドが延出されたときに、鋸歯状車輪１９６の外縁から放射状に延びる歯１９８を、その内部に受け入れ、歯１９８の側端部に力を加えるように構成され、鋸状歯車輪１９６と、鋸状歯車輪１９６に接続されたタワーとが、ピストンロッドの予め定められたストロークによって決まる個別の角度で、垂直に方向づけられた長手方向の軸周りに回転することを引き起こす。このピストンロッドは、その次に、更なる回転作動操作を見越して後退する。
【００５７】
３メートル以上の大きな高低差で共通のタワーに沿って間隔を空けて配置され得る、垂直方向に間隔の空けられた植物上に、細長い光ポストにより照射される光が、実質的に均等に分布することを確実にするために、光素子は、それぞれの光ポスト上に密に取り付けられ、例えば、いかなる高さにおいても、ただ１つの光素子が取り付けられるように、５０ｃｍの距離の間に５０個の光素子が取り付けられる。植物の栽培を最適化する植物固有の光特性を生成するために、光素子の数及び配列は正確に定められてもよい。
【００５８】
図３Ａ及び３Ｂは、光素子の例示的配列を概略的に図示し、これらの光素子の配列は、明確性のために誇張された大きさで示され、真昼の照明コンディション及び低減された光強度条件の照明コンディションを、模擬する照明特性を生成するために、それぞれ、光ポスト６ａ及び６ｂに取り付けられる。他の光素子もまた本発明の範囲内であるけれども、垂直に間隔を空けられ垂直に整列した光素子は、ＬＥＤ素子であることが好ましい。それぞれの光ポストは、連続的に動作する光素子からの放熱を最大にするために、管状であることが好ましい。もし必要であれば、光素子は、所望の波形を生成するために、選択されたデューティサイクルまたはタイムシーケンスに従って動作してもよい。
【００５９】
次の５色を照射するための光素子が図示されている。波長が４４０−４６０ｎｍであり、主に真昼の照明コンディションに用いられる青色（Ｂ）、波長が５０５−５３０ｎｍである緑色（Ｇ）、波長が６２０−６５０ｎｍであり、主に午前／午後の条件に用いられる赤色（Ｒ）、波長が６５０−６８０ｎｍである深赤色（ＤＲ）、色温度、つまり同等の色調の光を放射する理想的な黒体放射体の温度、が５０００Ｋであるクールホワイト（ＣＷ）の５色である。他の色もまた本発明の範囲内であるけれども、これらの色は、植物により必要とされる太陽光の基本のスペクトル成分を構成するものとして選択された。
【００６０】
光素子の配列は、隣接する光素子から照射される光ビームの相互作用、及び、光ポストの全長にわたる垂直方向の波長の分布、の結果として、所望の植物固有の光特性を生成するように、慎重に選択される。２つの隣接する光ポストにより生成される光特性もまた、相互に作用することができる。
【００６１】
高さＪを有する光素子３３のセグメント３１を図３Ｃに示す。セグメント３１は、垂直方向に間隔が空けられた所定数の光素子３３、例えば３０個の素子を備える。セグメント３１のそれぞれの光素子３３は、光ポスト６から距離Ｋの間隔を空けられたタワー２の外周部２７に作用する対応する光ビームを照射する。横断面が二等辺三角形を定義する等しい辺Ｌにより境界付けられる、セグメント３１から照射される光の円錐分布角３６内で、それぞれの光素子３３から照射される構成ビームは、栽培される所与の植物のために最適に光合成を刺激する光合成光量子束密度（ＰＰＦＤ）を、外周部２７にもたらすように混合される。同様に、円錐角３６に含まれる放射された光を吸収するように構成された、他のいかなる外周部２７、または、栽培される植物の全ての葉、におけるＰＰＦＤは実質的に等しい。セグメント３１の光素子の配列は、光ポスト６の高さに沿って、全ての他のセグメント、例えば、セグメント３１に隣接するセグメント３２により繰り返される。それゆえに、この光素子の配置構成は、タワー２の高さにわたり、全ての栽培される植物への実質的に均等な光の分布を促進する。
【００６２】
午前及び午後の照明コンディションは、例えば、光素子セグメントから照射される光のスペクトル成分に対応する以下の割合の相対光エネルギー、すなわち（１）波長が約４５０ｎｍの濃青色１２％、（２）波長が約６６０ｎｍの赤色６２％、（３）波長が約７３０ｎｍの赤外線７％、及び、（４）色温度４０００Ｋの白色１９％を生成することにより、模擬されうる。植物は、通常、２４時間のうちの４分の２の間、これらの午前及び午後の照明コンディションにさらされる。
【００６３】
真昼の照明条件は、例えば、光素子セグメントから照射される光のスペクトル成分に対応する以下の割合の相対光エネルギー、すなわち（１）波長が約４５０ｎｍの濃青色３４％、（２）波長が約６６０ｎｍの赤色３１％、（３）波長が約７３０ｎｍの赤外線７％、及び、（４）色温度４０００Ｋの白色２８％を生成することにより、模擬されうる。植物は、通常、２４時間の４分の１の間、これらの真昼の照明コンディションにさらされる。
【００６４】
光ポストの管状の形状は、灌漑流体がそれらの内部を通って循環することを可能にするためにも活用されうる。光ポストの密封された内部を通って流れる灌漑流体は、連続的に動作する光素子を冷却し、次に、約３０度である植物の成長を誘導する温度に加熱される。加熱された灌漑流体は、次に、植物の成長を促進するために植物に向けられる。それゆえに、通常利用されない、光源から放散された熱エネルギー源は、植物の成長を向上させるために活用される。
【００６５】
図４は、水耕法で栽培される植物への散水のための灌水手段３０の１つの実施形態を例示する。低温灌漑流体３４ａは、光ポスト６の内部３７に注入され、光ポストの内部を上昇するに連れて次第に加熱される。温かい灌漑流体３４ｂは、光ポスト内部の最上部から、放出部３９を介して、例えば１Ｌ／ｍｉｎの割合で、タワー２の最上部に配置された貯水槽４６に放出される。
【００６６】
栽培されるそれぞれの植物１９は、根が灌漑流体にさらされるようにされたバスケット４１内に保持される。バスケット４１は、それぞれの植物１９が、素子９から照射される光にさらされる間に適切に成長するように、タワー２の垂直な外壁４５に固定されるか、タワー２の垂直な外壁４５と一体に形成された、例えば円筒形の、対応する傾きのある中空ホルダ４３、に順に取り付けられる。
【００６７】
対応する導管４９は、それぞれのホルダに灌漑流体を導入するように、貯水槽４６からホルダ４３に向けて、または、第１ホルダからその下の第２ホルダに向けて、下方に、例えば傾いて延びる。それぞれのホルダ４３は、垂直壁４５に対して傾いて配置されるので、導入された灌漑流体の蓄積５２は、植物１９の根がその中に浸されるために適切な高さで、ホルダの底部に集められる。その結果、植物に栄養素が供給され、それから、その下方のホルダにカスケード状に溢れ出る。使用済みで溢れ出たものは、結果的にタワー２の底部の貯水槽５４に流れ出る。それぞれの導管４９は、周囲の空気にさらされながら滝のように落ちる灌漑流体の中で酸化作用を模擬するように、半円形にしてもよい。
【００６８】
底部の貯水槽５４からの流出物は、重力により、立て管５６を通って、補助集水タンク５８に流れ出て、それから、注入口６１を介して真水が加えられる主集水タンク５９に流れ出る。混合タンク６３は、主集水タンク５９からの放出物を受ける。窒素、リン、カリウム、及び、通常土の中に見られる他の必須栄養素などの添加物は、最適な濃度、及び、正確なバランスで加えられる。エアレーションポンプ６７は、生成された灌漑流体３４を光ポストの内部３７の注入口に送る。
【００６９】
音放射体５１、例えばラウドスピーカーが植物の成長を促進しうる音響信号を生成するために、光ポスト６の外壁に取り付けられてもよい。
【００７０】
図５に例示される灌水手段７０は、水気耕栽培される植物１９への散水のために用いられてもよい。灌漑流体は、混合タンク６３から、タワー２が回転する垂直軸７４の内部に形成されるパイプ７２へ導入される。灌漑流体の調合は図４に示されたものと同様である。垂直軸７４上に、パイプ７２と流体連通するように取り付けられた、垂直方向に間隔が空けられた複数の噴霧器７６は、酸素の豊富な供給をもたらすために、植物１９の根８１に向けてミスト７９を噴出する。栽培されるそれぞれの植物１９は、タワー２の垂直壁４５に形成された開口部内にはめ込まれるバスケット４１であって、対応する傾いた支持具７７を用いて傾けて取り付けられるバスケット４１に保持され、それにより根８１が灌漑流体にさらされる。
【００７１】
タワー外壁４５に形成された開口部８９の例示的な配置構成が、図６Ａ及び６Ｂに示される。
【００７２】
同時に、予め定められたタイミングシーケンスに従う軸７４の回転は、いかなる所与の時刻においても光ポスト６の１つ以上により生成される光に植物１９がさらされることを引き起こす。それぞれの光ポストの内部は、注入される冷水８４ａによって冷却され、その冷水８４は、上昇するにつれて次第に加熱される。加熱された水８４ｂは、タワー２の最上部プレート８３を通して放出され、さらに、底部の貯水槽５４にて集められる。
【００７３】
図７は、それにより水の保全性が大幅に向上する植物栽培タワーの外壁９５の構成を例示する。外壁９５は、複数の幅の狭い溝９１を有して形成され、それぞれの溝９１は、外壁に衝突して、植物に注がれることなく通常は下方に向けてタワーの底部の貯水槽に流れうる噴霧器から放出される液体、を受けるために凹んでいることが好ましい。それぞれの溝９１は、例えば、外壁９５の上端部９２から、植物栽培バスケットがはめ込まれる開口部８９の周辺まで延び、それにより、噴霧器の放出に加え、もう１つの灌水源を供給する。溝９１は、示されるように直線である必要はなく、むしろ、湾曲していてもよく、また、所望の形状または配置をとることができる。
【００７４】
図８は、灌漑流体を効率よく利用するための開ループリサイクリングシステム１１０を概略的に例示する。システム１１０において、タワーの内部に保持される植物１９の根８１は、ミスト環境を作り出すために、高圧フィードポンプ１１５により、タワー２の中心垂直パイプ７２を通して、垂直方向に間隔を空けられた噴霧器７６に送られる灌漑流体を用いて、水気耕栽培的に灌水される。
【００７５】
灌漑流体は、第１混合室１１７及びオゾン生成器１２６の両方の放出物が導入される第２混合室１２１からフィードポンプ１１５へ供給される。後者は、水中の微生物の殺菌、その結果、灌漑流体を上質にする目的のために、Ｏ２またはＯ３の形態で酸化剤を灌漑流体に注入する働きをする。第１混合室１１７において、バルブ１０６、例えば制御バルブを通して流れ込む真水と、栽培される作物のタイプにより必要とされる、窒素、リン、カリウム、及び、酸のような予め定められた量の栄養素を送る投薬ポンプ１２４、例えば蠕動投薬ポンプの放出物と、が混合される。
【００７６】
制御部１３５は、灌漑溶液の伝導率、及び、ｐＨを調節するため、且つ、灌漑溶液を、予め定められた回数噴霧器７６に送るために、フィードポンプ１１５、投薬ポンプ１２４、及び、オゾン生成器１２６と情報をやり取りする。オゾン生成器１２６は、通常、灌漑流体の適切な酸素添加を確実にするために、フィードポンプ１１５の起動前に短時間動作するように指令を受ける。制御部１３５は、それぞれのタワー２の周辺における、所望の湿度を含む予め定められた空気の質を維持するために、空調システム１３７及び局所除湿機１３９ともまた、情報をやり取りしてもよい。
【００７７】
植物の根８１により消費されない余剰の灌漑流体は、タワー２の底部で貯水槽１０１に集められる。復水ポンプは、予め定められた時刻に制御部１３５により指令を受けると、集められた灌漑流体を、導管１４６を介して使用済み流体貯蔵タンク１４２に送り、流体貯蔵タンク１４２はまた、導管１４７を介して、除湿機１３９から送られる復水を受ける。制御部１３５と情報をやり取りする再循環ポンプは、再利用流体を導管１４８及びバルブ１３８を介して第１混合室１１７に送る。バルブ１３８は、制御部１３５により指令を受ける制御バルブであってもよい。
【００７８】
空調システム１３７及び除湿機１３９（図８）に加え、それぞれのタワー周辺の空気の温度は、図９に示す閉ループ液体循環システム１５５を用いて制御されてもよい。ポンプ１５１は、光ポストに取り付けられた連続的に動作する光素子が冷却される一方で、冷却液が次第に加熱されるように、冷却液を光ポスト６の内部を通して上方に送る。光ポスト内部の最上部から放出される加熱された灌漑流体は、ポンプ１５３により加圧され、その結果、十分に高い割合で、液体−気体熱交換器、例えばラジエタを通って流れ、周囲の空気１５９が加熱されることを引き起こす。熱が失われた液体は、それから、ポンプ１５１に導入される。周囲の空気１５９の温度の上昇は、循環する液体の流量により制御されてもよい。
【００７９】
図１０は、植物栽培の向上を促進する空気循環装置を図示する。シーリングファン１６２は、モジュール５の暗い内部領域Ｄの中の上方で、中央に配置されるように取り付けられる。植物１９は、夜間の呼吸の間に二酸化炭素を放出するので、暗い内部領域Ｄは、モジュールの他の領域に対して、二酸化炭素の濃度が上昇する特徴がある。シーリングファン１６２の動作中、植物から放出される二酸化炭素、または、植物から放出される二酸化炭素で飽和した空気は、シーリングファン１６２による吸引を受け、それにより、モジュール５の外側の真昼の領域Ｎ、あるいは、午前または午後の領域に運ばれる。植物１９は、光合成を行うために、かなりの量の二酸化炭素を必要とする。植物から放出される通常は利用されない二酸化炭素を日中の領域に向かわせることができることにより、植物１９は、対応する増加された量の二酸化炭素を吸収し、その結果、光合成の間に大量の糖及び糖質を生成する一方で、成長速度の増加を有利に遂げることができる。シーリングファン１６２は、瞬間的に日中の照明コンディションで照明される領域を覆ったとき、動作を停止するようにしてもよい。
【００８０】
光合成のプロセスは、二酸化炭素や酸素や水蒸気のような、出入りするガスが、それらを通して放出される、植物の葉の、気孔または微細な開口、からの蒸発の結果、水分の損失を伴う。植物から放出された二酸化炭素を日中の領域へ運ぶことは、光合成の程度を大きくすることをもたらし、それゆえに、より水分の蒸発の割合を大きくすることさえももたらし、植物が、最適な水分バランスを維持するために、対応する増加された水分量を、その根を通して吸い上げることを誘発する。植物は、タワー中心部の高湿度に対して、タワー周囲の植物が栽培される空間において比較的低い湿度を維持するために、除湿機１３９（図８）に指令することより、その根を通して増加された水分量を吸い上げることを誘発してもよい。
【００８１】
植物の根を通した水分の吸い込みは、根からのミネラルの動き、及び、植物の至る所で糖を派生させる光合成輸送、のための主要な原動力である。植物は、最適な非土壌の環境において、制御された温度及び湿度で栽培され、屋外で栽培される同等の植物に対して非常に少量の水を消費する。根が水分や栄養素を求めて土を突き抜けるために植物のエネルギーを消費する必要がないので、未使用のエネルギーは、異なる形で植物の代謝プロセスにより利用されうる。植物がより多くのミネラルを生成するために未使用のエネルギーを利用するので、例えば、葉物野菜は、葉のパリッとした食感を実現する一方で、果物は甘くなる傾向がある。
【００８２】
植物から放出された二酸化炭素は、例えば、上部フレーム１９１（図１３）に接続されたダクトを通して日中領域に運ばれるようにしてもよいことが理解されるだろう。
【００８３】
外気だけでなく運ばれた二酸化炭素、必要に応じてこれらが混合されたものの温度は、制御部１３５により指令されたように、空調システム１３７により制御されてもよい。
【００８４】
他の実施形態においては、本発明の装置は、図１１に示す人工授粉システム１７０と同時に使用されてもよい。
【００８５】
光ポスト１７６は、空気受けタンク１７７から圧縮空気のパルス状の供給を同時に受ける、垂直方向に間隔を空けられた複数の空気放出ノズル１７３を支持する。圧縮空気を貯蔵するための空気受けタンク１７７は、次に、低湿度の領域に配置され、場合により施設の床に配置され、コンプレッサ１７４と流体連通する。コンプレッサ１７４は、タンク１７７内の圧力が予め定められた低値に満たないときに動作されると共に、タンク１７７内の圧力が予め定められた高値よりも大きいときに動作が停止される。光ポスト１７６の外側の導管１７２は、タンク１７７から延び、それぞれのノズル１７３と流体連通し、制御バルブ１７９は、タンク１７７の出口に隣接して導管１７２に動作可能に接続されてもよい。それぞれのノズル１７３は、放出される圧縮空気を円錐状パターンに案内し、植物１９、例えば苺、の雄しべへの圧縮空気の衝突を確実にし、その葯から花粉１８２を解放し、同一のまたは隣接する植物の心皮まで、花粉１８２を、空中を浮遊させて運ぶことを生じさせるための、放射状に広がる放出口を備えてもよい。
【００８６】
人工授粉システム１７０は、当然、花粉を付けた植物が、ノズル１７３と実質的に同じ高さでごく接近して確実に配置されたときにのみ、その葯からの花粉の解放を引き起こすことが可能である。タワー２が、その長手方向の軸１８４周りに、繰り返し、且つ、確実に回転可能に配置されることが、ステッピングモータ１８７により可能とされるようにしてもよい。ステッピングモータ１８７は、駆動回路から受けた指令パルスに応じて、個別に予め定められたステップ増加量でタワー２を回転するように構成される。対応するノズル１７３に対する植物の位置合わせは、各ステップの角度変位、タワーの直径、及び、タワーの周囲に取り付けられた植物の数を認識することで実現されてもよい。
【００８７】
人工授粉システム１７０の有効性は、局所的な湿度の変化を制御することにより高められてもよい。制御部１３５は、それゆえに、（１）花粉の接着性を低下させ、それにより、雄しべの花糸から、花粉をつけた葯を解放することをサポートするために、タワー２の付近の局所的な湿度を大幅に、例えば、苺に対して２０％の水準まで、低下させるように除湿機１３９に指令し、（２）所与の植物１９が、ノズル１７３に花粉を解放可能に近接して配置されるまで、いつ、または、何回のステップが行われるか、についての情報をモータ１８７の駆動回路から受け、（３）圧縮空気を所与の植物に向かわせるように、予め定められた時間、制御バルブ１７９を開けるよう指令し、（４）花粉の生存力、及び、花粉がその上に付着する柱頭の接着性を確保するために、葯の解放に続いて、タワー２の付近の局所的な湿度を大幅に、例えば、苺に対して５０％の水準まで、上昇させるように除湿機１３９に指令し、（５）授粉サイクルの終わりに制御バルブ１７９を閉じる、といった５段階の工程を実行するよう動作可能である。
【００８８】
制御バルブの開放時間は、花粉のその葯からの解放を引き起こすために十分に高い空気流量を確保するために、空気受けタンク１７７内の瞬間的な空気圧に応じて、制御部１３５により調節されてもよい。例えば、それぞれのノズル１７３は、タワー外周から３０ｃｍの間隔が空けられてもよく、空気圧は、空気がノズルから放出されるとき、ノズルの数に関わらず約６バールである。
【００８９】
図１８は、本発明の他の実施形態を例示し、本実施形態においては、植物に照射される光が変調される。
【００９０】
インドのアンナーマライ大学の植物学科の長であるＴ．Ｃ．Ｓｉｎｇｈ博士及び他の人々により行われるいくつかの研究から、音楽は植物の成長に作用すると確認されている。植物は、生成された音波の振動を感じ、より強く、且つ、より良好な植物をもたらしうる、より多くの栄養素の製造を促進するために、細胞内で原形質運動を加速しうる。［ｈｔｔｐ：／／ｈｕｂｐａｇｅｓ．ｃｏｍ／ｌｉｖｉｎｇ／ｔｈｅ−ｅｆｆｅｃｔ−ｏｆ−ｍｕｓｉｃ−ｏｎ−ｐｌａｎｔ−ｇｒｏｗｔｈ，２０１５年１１月１２日更新，２０１６年１０月３日］
【００９１】
制御システム２４０は、変調光エネルギーを、変調音波に対する植物の反応と同様に、代謝プロセスの改善を促進するように植物に導く。変調光エネルギーは、適切な伝達関数にて構成されたデジタル信号処理（ＤＳＰ）モジュール２４５により生成される。デジタル信号処理モジュール２４５は、制御部１３５（図１０）、または、いかなる他の適切なハードウェアコンポーネントに格納されてもよい。プレーヤ２４２により伝達されたオーディオファイル２４１の入力に応じて、ＤＳＰモジュール２４５は、オーディオ信号をディスクリート周波数コンポーネントに伝達し、それから、これらの周波数コンポーネントは、対応する光波形を生成するために、変調電圧コンポーネント、さらに、変調光波長コンポーネントに連続的に伝達される。ＤＳＰモジュール２４５は、植物が現在さらされている日中の光の領域に応じて、光波形の光強度もまた制御すると共に、光波形にフィルタをかける。光波形の出力は、所望の変調光ビーム２５１を生成するために、光ポストに取り付けられたＬＥＤ２４９のプログラム制御可能な電力供給部２４７に送られる。
【００９２】
他の実施形態において、タワー壁に形成された全ての植物用の穴には、システムのデータベースに記録される固有の識別子が割り当てられる。栽培されるそれぞれの植物に関する次の情報、作付け時期、成長プロトコルパラメータ、全ての所与の時刻における地理上の位置、及び、収穫の時期、は上記の識別子と紐づけられると共に、データベースに保存もされる。業務用通路に対する全ての植物の詳細なリアルタイムの地理位置情報は、植物の収穫のためのロボット工学の利用を促進する。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態が例として記載されている一方、本発明は、多くの変更、変形、及び、適応を伴って、特許請求の範囲を超えることなく、その技術を習熟した人間の範囲内で、多数の、同等かまたは代替の、解決策を利用して、実行され得ることは明らかであろう。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2018512888.tif 000023
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３Ｃ】
2018512888.tif 000024
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2018512888.tif 000025
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2018512888.tif 000026
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2018512888.tif 000027
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１７】
2018512888.tif 000028
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１８】
2018512888.tif 000029
【国際調査報告】
2018512888.tif 000030
2018512888.tif 000031
2018512888.tif 000032
2018512888.tif 000033
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2018512888.tif 000035
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