Способ гидропонного выращивания растений, устройство для осуществления способа и плавающая платформа этого устройства
METHOD OF HYDROPONIC GROWING OF PLANTS, DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION AND FLOATING PLATFORM OF THIS DEVICE

Область техники
Группа изобретений относятся к области сельского хозяйства и, конкретнее, к выращиванию растений в питательной среде без почвы т.е. гидропонике.
Уровень техники
Главной проблемой при гидропонном выращивании растений является обеспечение кислородом погруженной в питательный раствор части корневой системы. Это связано с тем, что в питательном растворе низкая (9 мг/л) концентрация кислорода, в отличие от воздуха (около 300 мг/л). Поэтому один из подходов к решению этой проблемы заключается в выращивании растений в условиях, при которых корневая система постоянно (аэропоника) или периодически (прилив — отлив) находится в воздухе. Однако в этих случаях возникает риск быстрой гибели растений при аварийном отключении электричества. Поэтому нижнюю часть корневой системы постоянно оставляют в небольшом слое питательного раствора. Это позволяет при авариях некоторое время сохранять жизнеспособность растений за счет этого запаса питательного раствора. Проблема заключается в том, что если слой питательного раствора большой, то корни быстро задыхаются, а если слой раствора небольшой, то питательный раствор быстро поглощается корнями.
Другим подходом в обеспечении кислородом погруженной части корневой системы является выращивание растений в тонком питательном слое. В известных способах и устройствах для выращивания растений в тонком питательном слое (Cooper A.J. The nutrient film technique//Horticultural industry. 1984, v.2 - P. 26 – 27) растение закрепляется на крышке короба, а корни располагаются вдоль дна короба. При этом короб имеет небольшой уклон (1 – 2 см/м). Питательный раствор подается с помощью насоса в верхнюю часть короба и самопроизвольно стекает вниз. Таким образом, корни постоянно находятся в тонком слое питательного раствора. Преимущество способа в том, что в тонком слое легче происходит газообмен между воздухом и питательным раствором. Главный недостаток этого способа состоит в том, что при аварийном отключении электричества или поломке насоса питательный раствор быстро стекает из короба и растение погибает. Другой недостаток этого способа в том, что при увеличении длины короба ухудшается рост растений, удаленных от места добавления питательного раствора. Это связано главным образом с тем, что по мере удаления от места добавления раствора, в нем понижается содержание кислорода, а также питательных веществ в результате газообмена между корнями и раствором и поглощения корнями питательных веществ. Этих недостатков лишена глубоководная культура.
При выращивании растений в глубоководной культуре корни растений постоянно погружены в питательный раствор, который интенсивно аэрируют с помощью компрессора (Текстье У. Гидропоника для всех. – Paris (France): HydroScope, 2013. – 296 с.). Причем питательный раствор находится в вегетационном сосуде, закрытом крышкой или вместо крышки располагается плавающая платформа, а растения, например, в горшочках с субстратом располагают либо на крышке вегетационного сосуда либо на плавающей платформе. В случае аварийного отключения электричества корни растений остаются в питательном растворе, что позволяет растению сохранять жизнеспособность 24 – 30 часов. При глубоководной культуре возможна также дополнительная аэрация корней в воздухе. Известны способы аэрации корневой системы в воздухе путем периодического поднятия платформы с размещенными на ней растениями выше уровня питательного раствора (Patent US № 13/192730, 07/28/2011. Hydroponic System // Patent US №20120023821. 02.02.2012 / Kao Chih-Сheng; Патент РФ № 201610937/13, 15.03.2016. Установка для гидропонного выращивания растений // Патент РФ №167134. 2016. Бюл. № 35. / Черников А.М.). Причем, при поднятии платформы в верхнее положение происходит извлечение корней из питательного раствора и интенсивный газообмен корней, а при опускании платформы в нижнее положение происходит погружение корневой системы растений в питательный раствор.
В качестве наиболее близкого по технической сущности аналога (прототипа) был выбран способ глубоководного выращивания растений (Патент РФ № 2529314 Способ выращивания растений и плавающее поддерживающее устройство//Патент РФ № 2529314. 2015 / Ван Дер Кнап М. К. А., Нордам К. С.), включающий стадии, в которых используют, по крайней мере, одну плавающую платформу, способную поддерживать растения на плаву и способную к перемещению в вертикальной плоскости, создают запас питательного раствора, размещают на запасе питательного раствора указанную плавающую платформу так, чтобы в исходном плавающем положении, по крайней мере, нижняя часть корневой системы располагалась в питательном растворе и плавающую платформу периодически перемещают в вертикальной плоскости за счет изменения уровня питательного раствора. Причем на плавающей платформе поддерживают и перемещают целые растения с субстратом для корневой системы и с горшочками для субстрата.
Известны устройства для гидропонного выращивания растений (Patent US № 14/706644, 19/11/2014 Interlocking Raft Deep water culture Hydroponics // Patent US № 9,807,950 B2. 19.05.2016/James P.
Day.), в том числе выбранное нами в качестве прототипа (использован тот же аналог:  патент РФ № 2529314), содержащие вегетационный сосуд, по крайней мере, одну плавающую платформу, способную к перемещению в вертикальной плоскости и погруженную донной частью в питательный раствор.
При этом растения и горшочки с субстратом расположены на плавающей платформе, а плавающая платформа находится сверху вегетационного сосуда. Причем донная часть плавающей платформы расположена выше основной массы корневой системы растения.
Также известны плавающие платформы (использован тот же аналог: Patent US № 9,807,950 B2), имеющие форму панели, способные к перемещению, по крайней мере, в вертикальной плоскости. Наиболее близкая по технической сущности, плавающая платформа, принятая нами за прототип (использован тот же аналог: патент РФ № 2529314) имеет форму панели, способна к перемещению, по крайней мере, в вертикальной плоскости, включающая, по меньшей мере, донную часть, которая выполнена проницаемой для питательного раствора и погружена в питательный раствор на заданную глубину, а также поплавковую часть, позволяющую плавающей платформе находиться в исходном положении на поверхности питательного раствора. При этом, по крайней мере, донная часть плавающей платформы проницаема для корневой системы и расположена выше нижней части корневой системы, а площадь поверхности питательного раствора внутри плавающей платформы, которая соприкасается с воздухом составляет от 50% до 80% от площади, ограниченной наружным периметром плавающей платформы.
Общим недостатком известных способов и устройств для их осуществления в условиях глубоководной культуры является низкая эффективность выращивания растений. Причины низкой эффективности выращивания растений следующие:
1. Плавающая платформа должна быть объемной для выдерживания на плаву контейнера с субстратом и растением.
2. Громоздкость плавающей платформы затрудняет ее эксплуатацию и приводит к увеличению необходимой площади для выращивания одного растения, особенно на начальных стадиях роста.
3. Увеличенный расход воды на испарение, энергии на дополнительное перемещение плавающей платформы и материала на изготовление плавающей платформы.
4. Изменение веса надземной части растения и верхней части корней по мере роста и изменение влажности субстрата приводит к изменению нагрузки на плавающую платформу и требует постоянного наблюдения за положением плавающей платформы либо увеличения размеров платформы.
5. Возможно, повреждение надземной части растений и верхней части корневой системы при поднятии/опускании плавающей платформы.
6. Необходимо дополнительное оборудование и дополнительное пространство в вертикальной плоскости, равное длине погруженной в питательный раствор корневой системе для дополнительного поднятия плавающей платформы с растениями в контейнерах. Особенно это затрудняет многоярусное выращивание растений.
7. При отключении электричества или поломки компрессора резко снижается поглощение питательных веществ и через 24 – 30 ч наступает гибель растений.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности культивирования растений.
Задачей данной группы изобретений является создание способа гидропонного выращивания растений, устройства для осуществления способа и плавающей платформы этого устройства, позволяющих повысить эффективность выращивания растений в условиях глубоководной культуры.
Раскрытие сущности группы изобретений
Поставленная задача решается тем, что в способе выращивания растений, включающем стадии, в которых используют, по крайней мере, одну плавающую платформу, способную поддерживать корневую систему растения на плаву и способную к перемещению в вертикальной плоскости, создают запас питательного раствора, размещают на запасе питательного раствора указанную плавающую платформу так, чтобы в исходном плавающем положении, по крайней мере, нижняя часть корневой системы располагалась в питательном растворе и плавающую платформу периодически перемещают в вертикальной плоскости, согласно изобретению, на плавающей платформе поддерживают и перемещают в вертикальной плоскости преимущественно только нижнюю часть корневой системы.
Для повышения эффективности способа в исходном состоянии плавающей платформы, по крайней мере, нижняя часть корневой системы погружается в питательный раствор на 1 – 20 мм, преимущественно 2 – 5 мм.
Для повышения эффективности способа плавающую платформу дополнительно периодически перемещают в вертикальной плоскости на 5 – 25 мм, преимущественно 5 – 10 мм за счет подъемно-опускающего механизма.
Для повышения эффективности способа для перемещения плавающей платформы в вертикальной плоскости используют нагнетание воздуха или питательного раствора в плавающую платформу, а выведение воздуха или питательного раствора из плавающей платформы происходит самопроизвольно.
Для повышения эффективности способа нагнетание воздуха в плавающую платформу совмещено с нагнетанием воздуха для аэрации питательного раствора, а нагнетание питательного раствора совмещено с поливом.
Поддерживание и перемещение в вертикальной плоскости на плавающей платформе целого растения в горшочке с субстратом широко известно при выращивании способом глубоководной культуры. Однако в предлагаемом способе гидропонного выращивания растений впервые поддерживается и перемещается в вертикальной плоскости преимущественно только нижняя часть корневой системы.
Благодаря тому признаку, что на плавающей платформе поддерживают только нижнюю часть корневой системы, это позволяет уменьшить расход материала на изготовление поплавковой части плавающей платформы.              Благодаря признаку перемещения в вертикальной плоскости преимущественно только нижней части корневой системы тратится меньше энергии. При этом совокупность существенных признаков способа ведет к достижению неочевидных технических эффектов, заключающихся в увеличении площади соприкосновения питательного раствора с воздухом, что улучшает их газообмен и в увеличении площади для распределения нижней части корневой системы в питательном растворе, а также в предохранении от повреждения зеленой части растения и верхней части корней, поскольку они не перемещаются. Таким образом эти признаки совместно с другими признаками позволяют получить заявленный технический результат - повышение эффективности выращивания растений, следовательно, изобретение удовлетворяет условию изобретательского уровня.
Благодаря тому, что в исходном положении плавающей платформы, по крайней мере, нижняя часть корневой системы погружается в тонкий слой питательного раствора на 1 – 20 мм, преимущественно 2 – 5 мм, корни не только поглощают питательный раствор, но и более эффективно осуществляют газообмен с воздухом. Кроме того расположение нижней части корневой системы в тонком слое питательного раствора облегчает процесс их перемещения из раствора в воздух.
Благодаря тому, что плавающую платформу дополнительно периодически перемещают в вертикальной плоскости за счет подъемно - опускающего механизма корни периодически оказываются в воздухе, что улучшает их газообмен. Поскольку, плавающую платформу дополнительно периодически перемещают в вертикальной плоскости внутри вегетационного сосуда только на 5 – 25 мм, преимущественно 5 – 10 мм, то при этом не происходит повреждения нижней части корневой системы насколько это возможно и не требуется дополнительного пространства в вертикальной плоскости для подъема корней.
Благодаря тому, что для перемещения плавающей платформы в вертикальной плоскости используют нагнетание воздуха или питательного раствора в плавающую платформу, а выведение воздуха или питательного раствора из плавающей платформы происходит самопроизвольно, плавающая платформа даже при аварии (отключении электричества или поломки компрессора) возвращается в исходное плавающее положение и нижняя часть корневой системы снова оказывается в питательном растворе. Это позволяет сохранять жизнеспособность растений длительный период (до полного поглощения питательного раствора).
Благодаря тому, что нагнетание воздуха в плавающую платформу совмещено с нагнетанием воздуха для аэрации питательного раствора, а нагнетание питательного раствора совмещено с поливом, упрощается подъем и опускание плавающей платформы и экономится электроэнергия на процесс подъема плавающей платформы. Таким образом, продувка воздухом питательного раствора выполняет 3 функции: а) аэрирует питательный раствор; б) перемешивает питательный раствор; в) поднимает плавающую платформу выше поверхности питательного раствора для лучшего газообмена нижней части корневой системы с воздухом.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для гидропонного выращивания растений содержащем вегетационный сосуд и, по крайней мере, одну плавающую платформу, способную к перемещению в вертикальной плоскости и погруженную донной частью в питательный раствор, согласно изобретению, вегетационный сосуд закрыт сверху крышкой с одним или несколькими отверстиями для закрепления, по крайней мере, одного растения в каждом отверстии, а плавающая платформа расположена внутри вегетационного сосуда так, чтобы, по крайней мере, донная часть плавающей платформы располагалась ниже крышки и корневой системы растения.
Для повышения эффективности выращивания растений устройство содержит подъемно-опускающий механизм для дополнительного перемещения плавающей платформы в вертикальной плоскости.
Для повышения эффективности выращивания растений крышка с закрепленными растениями обладает положительной плавучестью.
У известных устройств для глубоководной культуры наличие крышки у вегетационного сосуда с закрепленными растениями позволяет снизить испарение воды по сравнению с известными устройствами с плавающей платформой. В рассматриваемом устройстве авторами отмечается существенное сокращение испарения воды не только по сравнению с известными устройствами с плавающей платформой, но и с известными устройствами с крышкой без плавающей платформы (табл.). Причина этого в том, что при использовании в одном устройстве крышки с закрепленными растениями и плавающей платформы не требуется интенсивная продувка питательного раствора. Таким образом, возникает технический эффект – уменьшение испарения воды. Кроме того возникает дополнительный технический эффект – уменьшение шума при работе устройства.
Таблица
Количество испаренной воды при 22°С в различных устройствах
для глубоководной культуры
Количество испаренной воды, г/сутки х м²
Вегетационный сосуд с крышкой
Вегетационный сосуд без крышки
Предлагаемое устройство
Известные устройства для глубоководной культуры
90
323
808
Признак наличия сверху вегетационного сосуда крышки с одним или несколькими отверстиями для закрепления, по крайней мере, одного растения в каждом отверстии, а также признак использования плавающей платформы для поддержания на плаву растений широко известны в устройствах для гидропонного выращивания растений. Однако в рассматриваемом устройстве для гидропонного выращивания растений эти признаки впервые используются совместно. Благодаря тому признаку, что плавающая платформа расположена внутри вегетационного сосуда так, чтобы, по крайней мере, донная часть плавающей платформы располагается ниже корневой системы растения, становится возможным поддерживать нижнюю часть корневой системы около поверхности питательного раствора в тонком слое питательного раствора, что облегчает газообмен нижней части корневой системы.
Благодаря тому, что вегетационный сосуд закрыт сверху крышкой с одним или несколькими отверстиями для закрепления, по крайней мере, одного растения в каждом отверстии, вес надземной части растения, вес верхней части корневой системы и вес горшочка с субстратом (если последние используются) удерживаются не плавающей платформой, а крышкой вегетационного сосуда. А плавающая платформа удерживает преимущественно только нижнюю часть корневой системы. Это позволяет уменьшить размер поплавковой части плавающей платформы. Кроме того изменение веса надземной части растения и верхней части корней по мере роста и изменение влажности субстрата не требует постоянного наблюдения за положением плавающей платформы, поскольку эти изменения не оказывает влияния на плавающую платформу. Это упрощает процесс эксплуатации устройства.
При этом неожиданно оказалось, что давление нижней части корневой системы на плавающую платформу резко падает при увеличении расстояния от плавающей платформы до стебля. Это позволяет самопроизвольно уменьшать давление корневой системы на плавающую платформу по мере опускания плавающей платформы вследствие поглощения растением воды из питательного раствора. Также возможно регулировать давление нижней части корней на плавающую платформу за счет добавления или частичного слива питательного раствора из вегетационного сосуда.
Таким образом, достигается неожиданный технический эффект, заключающийся в самопроизвольном или искусственном изменении давления корневой системы растений на плавающую платформу при изменении количества питательного раствора в вегетационном сосуде, что позволяет поддерживать заданный уровень питательного раствора в плавающей платформе.
Эти признаки совместно с другими признаками позволяют получить заявленный технический результат: повышение эффективности выращивания растений в условиях глубоководной культуры. Следовательно, изобретение удовлетворяет условию изобретательского уровня.
Благодаря тому, что устройство содержит подъемно-опускающий механизм для перемещения плавающей платформы в вертикальной плоскости, нижняя часть корневой системы может быть перемещена выше питательного раствора, что улучшает газообмен нижней части корневой системы, или перемещена глубже в питательный раствор, что улучшает поглощение питательного раствора корневой системой.
Благодаря тому, что крышка с закрепленными растениями обладает положительной плавучестью, становится возможным располагать нижнюю часть корневой системы на заданном расстоянии от надземной (зеленой) части растения.
Поставленная задача решается также тем, что плавающая платформа, имеющая форму панели, способная к перемещению, по крайней мере, в вертикальной плоскости, включающая, по меньшей мере, донную часть, которая выполнена проницаемой для питательного раствора и погружена в питательный раствор на заданную глубину, и поплавковую часть, позволяющую плавающей платформе находиться в исходном положении на поверхности питательного раствора, согласно изобретению, донная часть плавающей платформы не проницаема для корневой системы, а площадь поверхности питательного раствора внутри плавающей платформы, которая соприкасается с воздухом, составляет более 85% от площади, ограниченной наружным периметром плавающей платформы.
Для повышения эффективности выращивания растений поплавковая часть снабжена, по крайней мере, одним дополнительным поплавком с переменной грузоподъемностью, которая увеличивается до заданного уровня при нагнетании воздуха и самопроизвольно возвращается в исходное состояние после прекращения нагнетания воздуха.
Для повышения эффективности выращивания растений дополнительный поплавок расположен ниже донной части плавающей платформы.
Для повышения эффективности выращивания растений дополнительный поплавок имеет вид перевернутой чаши с отверстием для выхода поступающего воздуха, причем, при нагнетании воздуха в чашу пропускная способность отверстия в 5 – 30 раз меньше, чем поступление воздуха.
Благодаря признаку, что донная часть плавающей платформы не проницаема для корневой системы, плавающая платформа может беспрепятственно перемещаться в вертикальной плоскости, а нижняя часть корневой системы располагается в донной части плавающей платформы.
Признак непроницаемости донной части плавающей платформы для корневой системы приводит к расположению нижней части корневой системы в тонком питательном слое около поверхности питательного раствора, что облегчает газообмен нижней части корневой системы. Еще больше усиливается газообмен между воздухом и питательным раствором благодаря тому, что площадь поверхности питательного раствора внутри плавающей платформы, которая соприкасается с воздухом, составляет более 85% от площади, ограниченной наружным периметром плавающей платформы. Это приводит к более интенсивному газообмену погруженной в раствор нижней части корневой системы, что сохраняет активное функционирование корневой системы. Это позволяет длительное время выращивать растения на запасе питательного раствора. То есть, достигается неочевидный технический эффект, заключающийся в длительном сохранении жизнеспособности растений при отсутствии искусственной аэрации. Таким образом, эти признаки совместно с другими признаками позволяют получить заявленный технический результат: повышение эффективности выращивания растений. Следовательно, изобретение удовлетворяет условию изобретательского уровня.
Благодаря тому, что поплавковая часть снабжена, по крайней мере, одним дополнительным поплавком, который расположен ниже донной части плавающей платформы, увеличивается грузоподъемность плавающей платформы. Это позволяет использовать для изготовления плавающей платформы более широкий спектр материалов. При этом неожиданно для такого дополнения появляется технический эффект: усиление газообмена питательного раствора. Это происходит за счет увеличения площади соприкосновения питательного раствора и воздуха еще, не менее чем на 90% от площади, ограниченной наружным периметром плавающей платформы. Таким образом, суммарная площадь соприкосновения питательного раствора и воздуха становится более 175% (85% + 90%) от площади, ограниченной наружным периметром плавающей платформы, что усиливает их газообмен.
Благодаря тому, что поплавковая часть снабжена, по крайней мере, одним дополнительным поплавком с переменной грузоподъемностью, которая увеличивается до заданного уровня при нагнетании воздуха, появляется возможность периодически перемещать нижнюю часть корневой системы из питательного раствора в воздух для лучшего газообмена, а самопроизвольное возвращение плавающей платформы в исходное плавающее состояние после прекращения нагнетания воздуха позволяет сохранить жизнеспособность растений даже в случае аварии.
Благодаря тому, что дополнительный поплавок имеет вид перевернутой чаши с отверстием для выхода поступающего воздуха, Причем, скорость нагнетания воздуха в дополнительный поплавок в 5 – 30 раз больше, чем пропускная способность воздуха через отверстие. При нагнетании воздуха увеличивается количество воздуха в дополнительном поплавке, а при прекращении нагнетания воздуха лишний воздух самопроизвольно выходит через указанное отверстие из плавающей платформы. При этом пропускная способность отверстия менее чем в 5 раз по сравнению с поступлением воздуха приводит к заметному расходу воздуха, а использование слишком узкого отверстия (с пропускной способностью в 30 раз меньшей, чем поступление воздуха) может увеличить вероятность засорения отверстия.
Заявляемая группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
В заявляемой группе изобретений главным с точки зрения решаемой задачи является способ гидропонного выращивания растений, а другие изобретения специально предназначены для осуществления главного изобретения. Таким образом, изобретения настолько связаны между собой, что образуют единый изобретательский замысел, т.е. имеет место соблюдение единства изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на примерный вариант выполнения, иллюстрированный на чертежах, где:
Фиг. 1 показывает продольный разрез вегетационного сосуда с плавающей платформой;
Фиг. 2 показан вариант устройства, в котором растение укреплено с помощью поролоновой пробки;
Фиг. 3 показан продольный разрез вегетационного сосуда с плавающей платформой, ниже дна, которой расположен дополнительный поплавок;
Фиг. 4 схематически показывает работу варианта устройства с дополнительным поплавком, расположенным ниже дна плавающей платформы;
Фиг. 5 показывает варианты соединения плавающей платформы с дополнительным поплавком, расположенным ниже дна плавающей платформы;
Фиг. 6 схематически показывает работу устройства с дополнительным поплавком, внутреннее пространство которого выполнено изолированным от питательного раствора;
Фиг. 7 показывает вариант устройства при аэропонном выращивании растений с плавающей платформой;
Фиг. 8 схематически показывает работу устройства с плавающей платформой при периодическом затоплении корневой системы;
Фиг. 9 схематически показывает работу варианта устройства с плавающей платформой при добавлении питательного раствора с помощью аэролифта;
Фиг. 10 показывает вариант устройства, в котором вегетационный сосуд выполнен в виде перевернутого усеченного конуса;
Фиг. 11 показывает вариант устройства, в котором вегетационный сосуд выполнен в виде удлиненного короба;
Фиг. 12 показывает вариант устройства, в котором при выращивании нескольких растений используется общая плавающая платформа;
Фиг. 13 схематически показывает вариант устройства с несколькими вегетационными сосудами, соединенными последовательно;
Фиг. 14 схематически показывает вариант устройства с несколькими вегетационными сосудами, соединенными параллельно.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ
На фиг. 1 показано устройство, для гидропонного выращивания растений содержащее вегетационный сосуд 1 с крышкой 2, которая имеет отверстие 3 для горшочка 4 с субстратом 5 и растением 6. В средней части вегетационного сосуда 1 находится плавающая платформа 7, которая расположена с зазором 1 – 2 мм от боковых стенок вегетационного сосуда 1. Плавающая платформа 7 имеет донную часть 8 с дном 9 и поплавковую часть 10. При этом донная часть 8 плавающей платформы 7 имеет отверстия 11 для поступления/слива питательного раствора 12, но не проницаемые для корневой системы 13. Для этого отверстия 11 могут быть покрыты инертным материалом (не показано на фиг. 1), например, нетканым иглопробивным геотекстилем.
Поплавковая часть 10 в данном примере состоит из твердого вспененного инертного материала, например, экструдированного пенополистирола. Однако поплавковую часть 10 можно изготавливать из другого материала, а также из комбинации различных материалов. В нижней части вегетационного сосуда 1 расположена трубка для подачи воздуха 14, соединенная с компрессором (не показан на фиг. 1), а также трубка 15 для подачи или слива питательного раствора 12.
Устройство работает следующим образом. В отверстие 3 крышки 2 вегетационного сосуда 1 закрепляется растение 6 с помощью горшочка 4 с субстратом 5 или другим известным способом, а плавающую платформу 7 располагают внутри вегетационного сосуда 1 ниже крышки 2. Благодаря этому плавающая платформа 7 поддерживает только нижнюю часть корневой системы 13, а верхняя часть корневой системы 13, зеленая часть растения 6 с горшочком 4 и субстратом 5 удерживаются крышкой 2 вегетационного сосуда 1. Это позволяет уменьшить размер поплавковой части 10 плавающей платформы 7, что сокращает расход материала на изготовление поплавковой части 10. Поплавковая часть 10 придает плавучесть плавающей платформе 7 и предохраняет ее от боковых кренов.
С помощью трубки 15 в вегетационный сосуд 1 заливается питательный раствор 12 так, чтобы нижняя часть корневой системы 13 находилась в питательном растворе 12. Питательный раствор 12 поступает в плавающую платформу 7 через отверстия 11. При этом внутренняя поверхность дна 9 плавающей платформы 7 погружается в питательный раствор 12 на 1 – 20 мм, преимущественно 2 – 5 мм. Поэтому, нижняя часть корневой системы 13 находится в тонком слое питательного раствора 12, что облегчает газообмен нижней части корневой системы 13 с воздухом. Также облегчению газообмена питательного раствора 12 с воздухом способствует то, что в донной части 8 плавающей платформы 7 площадь соприкосновения воздуха и питательного раствора 12 составляет не менее 85% от площади, ограниченной наружным периметром плавающей платформы 7. Это позволяет длительное время сохранять жизнеспособность и функциональную активность растения 6 без аэрации. В тоже время периодическая продувка воздуха через трубку 14 способствует перемешиванию питательного раствора 12 в вегетационном сосуде 1. Поэтому предпочтительно для перемешивания и дополнительной аэрации питательного раствора 12 периодически (1 – 3 раза в сутки по 2 – 5 мин) проводят продувку воздухом через трубку 14.
По мере роста растения питательный раствор 12 поглощается корневой системой 13 и плавающая платформа 7 самопроизвольно опускается ниже. При этом нижняя часть корневой системы 13 опускается вслед за плавающей платформой 7 и поэтому нижняя часть корневой системы 13 остается в питательном растворе 12. Соответственно при добавлении питательного раствора 12 в вегетационный сосуд 1 плавающая платформа 7 поднимается вверх вместе с нижней частью корневой системы 13. При этом не происходит повреждения верхней части корневой системы 13 и зеленой части растения 6, поскольку перемещается только нижняя часть корневой системы 13.
Питательный раствор 12 добавляют в вегетационный сосуд 1 помощью трубки 15 для питательного раствора по мере его расходования. При этом количество питательного раствора 12 в вегетационном сосуде 1 должно быть достаточным для поглощения корневой системой 13 до следующего добавления питательного раствора 12. Через 2 – 3 недели питательный раствор 12 заменяют на новый. После сбора урожая вегетационный сосуд 1 и плавающая платформа 7 промывается и используется повторно.
В частном случае растение 6 может быть закреплено в крышке 2 вегетационного сосуда 1 с помощью поролоновой пробки 4′ (фиг. 2) или любым другим известным способом.
В частном случае (фиг. 3) плавающая платформа 7 имеет дополнительный поплавок 16, например, в виде перевернутой чаши, расположенной ниже дна 9 плавающей платформы 7. Предпочтительно дополнительный поплавок 16 может быть выполнен с регулируемой грузоподъемностью, например, за счет регуляторной трубки 17. Чем глубже находится регуляторная трубка 17 в дополнительном поплавке 16, тем больше грузоподъемность у дополнительного поплавка 16. При этом общая грузоподъемность плавающей платформы 7 позволяет находиться дну 9 плавающей платформы 7 на заданной глубине (предпочтительно 2 – 5 мм) в питательном растворе 12. При поступлении воздуха через трубку подачи воздуха 14 газовый состав в дополнительном поплавке 16 обновляется. Это позволяет дополнительно аэрировать питательный раствор 12, в том числе в период между продувками. При этом грузоподъемность плавающей платформы 7 не меняется, поскольку избыток воздуха удаляется через полую регуляторную трубку 17.
В частном случае, например, при выращивании растений, требовательных к высокому содержанию кислорода в зоне корневой системы 13, дно 9 плавающей платформы 7 с корневой системой 13 периодически поднимают выше уровня питательного раствора 12 (фиг. 4 б, в, г), чтобы корневая система 13 полностью оказывалась в воздухе. При этом предпочтительно, чтобы возвращение плавающей платформы 7 в исходное положение (фиг. 4 а) происходило самопроизвольно. Для этого дополнительный поплавок 16 имеет трубку 18 с постоянно открытым отверстием 19 для сброса воздуха. Причем если трубка 18 находится ниже дна 9 плавающей платформы 7, то сброс воздуха происходит, только до нижнего торца трубки 18. Стрелками показано направление перемещения воздуха. Чтобы ограничить проникновение корней в регуляторную трубку 17 и трубку 18 над ними располагают пластинку 20, например, из полимерного материала.
В частном случае (фиг. 5 а) верхняя часть дополнительного поплавка 16 может соответствовать дну 9 плавающей платформы 7 и тогда отверстия 11 для питательного раствора 12 располагаются в нижней части боковых стенок плавающей платформы 7. Если верхняя часть дополнительного поплавка 16 меньше дна 9 плавающей платформы 7 (фиг. 5 б) или ниже дна 9 плавающей платформы 7 (фиг. 5 в), то отверстия 11 для питательного раствора 12 располагаются на дне 9 и/или боковых стенках плавающей платформы 7.
В частном случае (фиг. 6) внутреннее пространство дополнительного поплавка 16 выполнено изолированным от питательного раствора 12. В этом случае регуляторная трубка 17 и отверстие для сброса воздуха 19 (не показано на фиг. 6) располагаются снаружи от вегетационного сосуда 1. При этом регуляторная трубка 17 и отверстие для сброса воздуха 19 (не показано на фиг. 6) могут быть общими для нескольких вегетационных сосудов 1. Стрелками показано направление перемещения воздуха.
На фиг. 7 – 9 показано, что предлагаемая группа изобретений может быть использована в сочетании с известными способами выращивания растений. При аэропонном или аэро- гидропонном выращивании растений (фиг. 7) нижняя часть корневой системы 13 находится в тонком слое питательного раствора 12 на плавающей платформе 7. При аварийном отключении электричества или поломке форсунки 21 нижняя часть корневой системы 13 продолжает поглощать питательный раствор 12 до полного поглощения питательного раствора 12 в вегетационном сосуде 1. Это позволяет не только сохранять жизнеспособность растения 6 в течении длительного времени, но и поддерживает функциональную активность нижней части корневой системы 13 на высоком уровне благодаря тому, что в тонком слое питательного раствора 12 газообмен происходит более эффективно.
Аналогично происходит при выращивании растения 6 с помощью периодического затопления (прилив - отлив) корневой системы 13 (фиг. 8). При поливе (фиг. 8 а) через трубку 22 плавающая платформа 7 всплывает до упора в ограничительный выступ 23, а питательный раствор 12 заливает корневую систему 13 до трубки от переливов 24. После прекращения полива часть питательного раствора 12, расположенная выше трубки 22 самопроизвольно возвращается в емкость для питательного раствора (не показана на схеме) через трубку 22 (фиг. 8 б). При этом нижняя часть корневой системы 13 остается в питательном растворе 12 на плавающей платформе 7. В случае аварийного отключения электричества нижняя часть корневой системы 13 продолжает поглощать питательный раствор 12 до его полного поглощения, позволяя растению 6 длительное время оставаться жизнеспособным (фиг. 8 в). Стрелками показано направление перемещения питательного раствора.
В частном случае плавающая платформа 7 может быть использована при добавлении питательного раствора 12 с помощью аэролифта (фиг. 9). В исходном положении (фиг. 9 а) нижняя часть корневой системы 13 находится в питательном растворе 12 на плавающей платформе 7. При подаче воздуха через трубку для подачи воздуха 14 (фиг. 9 б) в дополнительном поплавке 16 накапливается воздух и плавающая платформа 7 поднимается вверх до упора в крышку 2 вегетационного сосуда 1. При этом дно 9 плавающей платформы 7 с нижней частью корневой системы 13 оказывается в воздухе без питательного раствора 12. При продолжении подачи воздуха питательный раствор 12, вытесненный из дополнительного поплавка 16, заполняет через отверстия 11 для питательного раствора 12 плавающую платформу 7 и корневую систему 13 (фиг. 9 в). После прекращения подачи воздуха происходит самопроизвольный выход воздуха из дополнительного поплавка 16 через постоянно открытое отверстие 19 трубки для удаления воздуха 18 (фиг. 9 г). При полном выходе воздуха из дополнительного поплавка 16 плавающая платформа 7 возвращается в исходное положение (фиг. 9 а). Стрелками показано направление перемещения воздуха. При аварийном отключении электричества на любой стадии плавающая платформа 7 также самопроизвольно возвращается в исходное положение на поверхность питательного раствора 12 и нижняя часть корневой системы 13 продолжает поглощать питательный раствор 12. Таким образом, длительное время сохраняется жизнеспособность растения 6 до опускания плавающей платформы 7 до дна вегетационного сосуда 1.
Для перемещения в вертикальной плоскости форма плавающей платформы 7 должна соответствовать форме вегетационного сосуда 1. Это уменьшит боковые крены плавающей платформы 7. А вегетационный сосуд 1 предпочтительно имеет форму цилиндра или прямоугольного параллелепипеда. Если форма вегетационного сосуда 1 имеет вид, например, перевернутого усеченного конуса (фиг. 10), то предпочтительно плавающую платформу 7 помещать в отрезок трубы 25. При этом для прохождения питательного раствора 12 труба 25 не соединяется герметично с дном вегетационного сосуда 1 и/или имеет отверстия в нижней части для прохождения питательного раствора 12.
В частном случае (фиг. 11) вегетационный сосуд 1 может быть выполнен в виде удлиненного короба, а плавающая платформа 7 иметь поплавки 10, расположенные между растениями 6. При этом для свободного прохождения корней 13 вдоль плавающей платформы 7 предпочтительно занимать поплавками 10 только часть ширины плавающей платформы 7. Уровень питательного раствора 12 в вегетационном сосуде 1 может регулироваться за счет подачи/слива и/или за счет поглощения и испарения воды растением 6. В частном случае при выращивании растений из семян, клубней, луковиц или черенков (фиг. 11 а) до появления корневой системы 13 уровень питательного раствора 12 может быть высоким, чтобы субстрат 5 в горшочке 4 смачивался питательным раствором 12. Предпочтительно после появления корневой системы 13 уровень питательного раствора 12 в вегетационном сосуде 1 понижают (фиг. 11 б, в).
При выращивании нескольких растений 6 в одном вегетационном сосуде 1 плавающая платформа 7 может быть общей (фиг. 12). Однако в частных случаях возможно разделение плавающей платформы 7 на отдельные участки, чтобы корни не смешивались (не показано на фигуре 12) или можно использовать несколько плавающих платформ 7 в одном вегетационном сосуде 1 (не показано на фигуре 12).
В частных случаях два или более вегетационных сосудов 1 могут быть соединены с трубками подачи/отведения воздуха 14 и трубками подачи/отведения 15 питательного раствора 12 последовательно (фиг. 13) или параллельно (фиг. 14). При этом питательный раствор 12 периодически добавляется в вегетационные сосуды 1 из емкости для питательного раствора 26 с помощью насоса 27 и таймера 28. Для дополнительной аэрации питательного раствора 12 в емкости для питательного раствора 26 используется компрессор 29 с аэраторной трубкой 30. Кроме того продувка питательного раствора 12 с помощью компрессора 29, соединенного с таймером 28, может осуществляться в каждом вегетационном сосуде 1 (фиг. 14).
Для выращивания салата латука листового в качестве вегетационного сосуда 1 использовали емкость в виде цилиндра из полимерного материала, например, из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) диаметром 100 мм и объемом 1 л (фиг. 1). Плавающая платформа 7 выполнена из полимерного материала, например, полипропилена в виде открытого контейнера высотой 20 мм и наружным диаметром на 3 мм меньше, чем внутренний диаметр вегетационного сосуда 1. Поплавковая часть 10 плавающей платформы 7 выполнена из экструдированного пенополистирола в виде кольца с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру плавающей платформы 7, толщиной 4 мм и высотой 20 мм. Поплавковая часть 10 укреплялась внутри плавающей платформы 7 выше дна 9 плавающей платформы 7 так, чтобы в рабочем положении на поверхности питательного раствора 12 дно 9 плавающей платформы 7 было погружено в питательный раствор 12 на 4 мм.
Семена салата помещали в горшочки 4 с небольшим количеством кокосового субстрата 5. После появления корней горшочки 4 с растениями 5 вставляли в отверстие 3 в крышке 2 вегетационного сосуда 1. При этом нижняя часть корневой системы 13 располагалась на дне 9 плавающей платформы 7. По мере роста растений питательный раствор поглощался корневой системой 13, и плавающая платформа 7 опускалась ниже. При этом нижняя часть корневой системы 13 следовала за плавающей платформой 7. При добавлении питательного раствора 12 плавающая платформа 7 поднималась вверх вместе с нижней частью корневой системы 13 за счет грузоподъемности поплавка 10.
Первый полив через трубку 15 осуществляли через 7 – 10 дней после посадки, а последний полив – за 3 – 4 дня до сбора урожая. После сбора урожая вегетационный сосуд 1 и плавающую платформу 7 промывали и использовали повторно.
Использование при гидропонном выращивании растений в условиях глубоководной культуры заявляемых способа и устройств позволяет повысить эффективность выращивания растений, что выражается в следующем:
1) сокращении испарения воды;
2) уменьшении материала на изготовление плавающей платформы;
3) уменьшении шума от работы устройства;
4) сокращении частоты и длительности периодов аэрации;
5) экономии электроэнергии;
6) при авариях (отключении электричества или поломки компрессора) растения не только сохраняют жизнеспособность до полного поглощения питательного раствора (более 1 – 2 недели), но и продолжают нормально расти и развиваться;
7) экономии пространства в вертикальной плоскости при многоярусном выращивании растений;
8) не происходит повреждения зеленой части растения и верхней части корневой системы при перемещении плавающей платформы.