CN105028167B - 太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统 - Google Patents

Abstract

太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统，属于无土栽培技术领域。以解决现有太空旅行中无法满足宇航员对新鲜蔬菜的长期需求及供氧需求问题。中心滴灌管、单透内衬、根系生长层、隔水膜、蜂窝状支撑网及种植层由内到外依次连接，组成一个圆柱体；进水管和输水管均设置在中心滴灌管的内腔中，进水控制阀安装在进水管上端，土壤湿度传感器位于太空植物培养柱的内部，顶部过滤层设置在托盘一上，底部过滤层设置在托盘二上，养分调配罐位于顶部过滤层的上方，养分调配罐与养分检测装置的一端连通，养分检测装置的另一端伸入到输水管的内部，底部水泵和顶部水泵分别位于底部过滤层的下方和顶部过滤层的上方。本发明用于太空中无土栽培蔬菜。

Description

太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统

技术领域

本发明涉及一种太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统，属于无土栽培技术领域。

背景技术

尽管航天食品种类日益丰富，但还是以干燥食品、复水食品、罐头食品等类型为主，一般也都是高热量并能长期存放的食品，可以携带的新鲜果蔬非常有限，因为每运送1公斤食物到国际空间站，要花费近14000英镑。在太空种植食材，将很好地解决未来长途太空旅行中新鲜食材的供给问题，可以降低运输食物的成本。

常规土壤种植土壤运输成本高，且不便于浇灌，容易给太空带来污染。还需要有一定专业技术的人来种植管理，耗费时间精力。虽然有报道证实可以在太空种植蔬菜，但只是试验规模，难以满足宇航员对新鲜蔬菜的长期需求及供氧需求，且目前一般都是平面种植，浪费空间，缺乏观赏性。

发明内容

本发明的目的是在于提供太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统，以满足宇航员对新鲜蔬菜的长期需求及供氧需求。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种太空植物培养柱，所述太空植物培养柱包括中心滴灌管、单透内衬、根系生长层、隔水膜、蜂窝状支撑网及种植层，所述中心滴灌管、单透内衬、根系生长层、隔水膜、蜂窝状支撑网及种植层由内到外依次连接，组成一个圆柱体。

安装有太空植物培养柱的太空专用种植系统，它包括自动给水装置、自动给养装置、水过滤循环装置及太空植物培养柱，所述自动给水装置包括进水控制阀、进水管及土壤湿度传感器，所述自动给养装置包括养分调配罐和养分检测装置，所述水过滤循环装置包括顶部过滤层、底部过滤层、底部水泵、顶部水泵、输水管、托盘一及托盘二；所述进水管和输水管均设置在所述太空植物培养柱的中心滴灌管的内腔中，且进水管和输水管的上下端设置在太空植物培养柱的外部，进水管位于太空植物培养柱内的侧壁上均匀分布数个小孔，所述进水控制阀安装在进水管的上端，所述土壤湿度传感器位于太空植物培养柱的内部，土壤湿度传感器的上端通过传感线与进水控制阀连接，当缺水时，土壤湿度传感器通过传感线把信号传递给进水控制阀，进水控制阀自动打开，当不缺水时，土壤湿度传感器通过传感线把信号传递给进水控制阀，进水控制阀自动关闭；所述托盘一和托盘二分别设置在太空植物培养柱的上端和下端，所述顶部过滤层设置在托盘一上，所述底部过滤层设置在托盘二上，所述养分调配罐位于顶部过滤层的上方，养分调配罐与养分检测装置的一端连通，所述养分检测装置的另一端伸入到输水管的内部，所述输水管位于托盘二的下方输水管的侧壁上均匀分布数个小孔，所述底部水泵和顶部水泵分别位于底部过滤层的下方和顶部过滤层的上方，底部水泵的进口与进水管的下端连通，底部水泵的出口通过输水管与顶部水泵的入口连通，所述顶部水泵的出口与进水管的上端连通。

采用以上技术方案的有益效果在于：

1、单透内衬可以保证水分和营养液正常进入根系生长层的基质，还能防止中心滴灌管堵塞；根系生长层采用超级吸收聚合物基质，用来代替土壤，该基质不溶于水，具有一定的保水性、并能保证养分的均匀分布和优良的通气效果；隔水膜能够防止植物生长层的水分和杂物渗漏。

2、蜂窝状支撑网的每个网孔均为六边形结构，且六边形结构一直深入贯穿整个根系生长层，起到固定单株植物根系的作用，避免植物生长过程中根系彼此影响，以及随着根系的发达而破坏太空植物培养柱稳固性的情况。

3、进水管和输水管均设置在太空植物培养柱的中心滴灌管的内腔中，进水管位于太空植物培养柱内的侧壁上均匀分布数个小孔，输水管位于托盘二的下方输水管的侧壁上均匀分布数个小孔，养分调配罐位于顶部过滤层的上方，养分调配罐与养分检测装置的一端连通，养分检测装置的另一端伸入到输水管的内部，液体会从进水管中自由喷出，水分及营养液在太空植物培养柱柱体中自由流动，更有利于植物根部生长，养分调配罐中预置有多种肥料，会自动根据养分检测情况给与调配与释放，随水分均匀分布于太空植物培养柱的中心滴灌管中。

4、土壤湿度传感器位于太空植物培养柱的内部，土壤湿度传感器的上端通过传感线与进水控制阀连接，当缺水时，土壤湿度传感器通过传感线把信号传递给进水控制阀，进水控制阀自动打开，用以补充水分进行灌溉，当不缺水时，土壤湿度传感器通过传感线把信号传递给进水控制阀，进水控制阀自动关闭。

5、托盘一和托盘二分别设置在太空植物培养柱的上端和下端，顶部过滤层设置在托盘一上，底部过滤层设置在托盘二上，顶部过滤层和底部过滤层用来过滤流经太空植物培养柱的水分，除去杂质，增强水的流动性，促进植物均匀的吸收水分，保持水分清洁无菌，利于植物健康的生长；水分流经顶部过滤层进入中心滴灌管，由于太空失重，水分需要被底部水泵抽到太空植物培养柱底部，经底部过滤层过滤后，由顶部水泵经输水管抽到太空植物培养柱顶部，进行二次过滤，进入下一个水循环。

6、太空植物培养柱的中心滴灌管的内腔填充有蛭石，水分和营养液流经蛭石进行输送，蛭石具有良好的阳离子交换性和吸附性，储水保墒，提高透气性和含水性，起到缓冲的作用，阻碍pH值的迅速变化，使肥料在作物生长介质中缓慢释放，且允许稍过量地使用肥料而对植物没有危害；蛭石还可向作物提供自身含有的K、Mg、Ca、Fe以及微量的Mn、Cu、Zn等元素。

7、种植层与蜂窝状支撑网对应设置，种植层的种子与蜂窝状支撑网是对应的，可以事先在地面上将植物种子做胶囊种子（休眠）然后嵌到种植层上，需用时包裹到植物种植骨架蜂窝状支撑网上，然后待植物种植床生长条件以及舱内环境条件适宜时，开启发芽模式进入生长期，植物在完成一个生长周期，采摘后，更换新的种植层。

附图说明

图1是本发明太空植物培养柱结构示意图；

图2是安装有太空植物培养柱的太空专用种植系统结构示意图；

图3是图1中A的局部放大图。

图中：1—中心滴灌管；2—单透内衬；3—根系生长层；4—隔水膜；5—蜂窝状支撑网；6—种植层；7—进水控制阀；8—进水管；9—土壤湿度传感器；10—养分调配罐；11—养分检测装置；12—顶部过滤层；13—底部过滤层；14—底部水泵；15—顶部水泵；16—输水管；17—托盘一；18—托盘二。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统的优选实施方式。

如图1、图2和图3所示，一种太空植物培养柱，所述太空植物培养柱包括中心滴灌管1、单透内衬2、根系生长层3、隔水膜4、蜂窝状支撑网5及种植层6，所述中心滴灌管1、单透内衬2、根系生长层3、隔水膜4、蜂窝状支撑网5及种植层6由内到外依次连接，组成一个圆柱体。

所述根系生长层3采用超级吸收聚合物基质，为现有技术，由以色列艾克索生物技术公司研发，可广泛用于农业、医疗等领域。这种超级吸收聚合物基质是用天然材料制成的，变湿后会形成一种胶质，可起到吸收流体的作用，由作物根据需要决定吸水量，从而达到精确供水的目的。研究显示，用这种技术灌溉作物，可节水60%到80%。数个农业周期后，吸收剂会自动降解为氨，对环境没有污染。

所述蜂窝状支撑网5的每个网孔均为六边形结构。

它包括自动给水装置、自动给养装置、水过滤循环装置及太空植物培养柱，所述自动给水装置包括进水控制阀7、进水管8及土壤湿度传感器9，所述自动给养装置包括养分调配罐10和养分检测装置11，所述水过滤循环装置包括顶部过滤层12、底部过滤层13、底部水泵14、顶部水泵15、输水管16、托盘一17及托盘二18；所述进水管8和输水管16均设置在所述太空植物培养柱的中心滴灌管1的内腔中，且进水管8和输水管16的上下端设置在太空植物培养柱的外部，进水管8（进水管8为具有弹性的伸缩管）位于太空植物培养柱内的侧壁上均匀分布数个小孔（进水管8的上端可与自来水设备连接，也可连接于储水设备），所述进水控制阀7安装在进水管8的上端，所述土壤湿度传感器9位于太空植物培养柱的内部，土壤湿度传感器9的上端通过传感线与进水控制阀7连接，当缺水时，土壤湿度传感器9通过传感线把信号传递给进水控制阀7，进水控制阀7自动打开，当不缺水时，土壤湿度传感器9通过传感线把信号传递给进水控制阀7，进水控制阀7自动关闭；所述托盘一17和托盘二18分别设置在太空植物培养柱的上端和下端，所述顶部过滤层12设置在托盘一17上，所述底部过滤层13设置在托盘二18上，所述养分调配罐10位于顶部过滤层12的上方，养分调配罐10与养分检测装置11的一端连通，所述养分检测装置11的另一端伸入到输水管16的内部，所述输水管16位于托盘二18的下方输水管16的侧壁上均匀分布数个小孔，所述底部水泵14和顶部水泵15分别位于底部过滤层13的下方和顶部过滤层12的上方，底部水泵14的进口与进水管8的下端连通，底部水泵14的出口通过输水管16与顶部水泵15的入口连通，所述顶部水泵15的出口与进水管8的上端连通。

所述太空植物培养柱的中心滴灌管1的内腔填充有蛭石，水分和营养液流经蛭石，经单透内衬向根系生长层的基质传递。

工作过程：水分由中心滴灌管1透过单透内衬2进入根系生长层3，隔水膜4阻隔水分渗漏，隔水膜4外部是由无数个稳固的六边形结构组成的蜂窝状支撑网5，且六边形结构一直深入贯穿整个根系生长层3，将嵌入种子的种植层6包围在太空植物培养柱的蜂窝状支撑网5上，向太空植物培养柱内注水，并同时启动自动给水装置、自动给养装置和水过滤循环装置，待植物种植层6生长条件以及舱内环境条件适宜时，开启发芽模式进入生长期，等待成熟即可采摘食用，采摘后，更换新的种植层6，包覆在蜂窝状支撑网5上即可。

本发明可以满足航天员在太空对新鲜蔬菜和氧气的需求，且具有智能管理、节省人力、方便使用、通用性强、高效利用空间等优势，减少制氧剂及食材的运输，降低成本，可用于空间站，长期远离陆地的军队，特殊环境下的生存需求，也可种植其他花草植物，美化办公场所、高档酒店、医院、幼儿园和家庭环境，远离绿地也可享受园艺景观，规模可大可小，适用范围广。

在太空应用此太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统，仅需携带种子即可满足长期的蔬菜供应及供氧需求。每13.5平方米绿色植物就可为1名航天员提供足够的氧气。NASA（美国国家航空和宇宙航行局 ）以往实验已证明，微重力环境并不会对蔬菜的生长造成影响。蔬菜的生长周期较短，例如莴苣，一旦种植，28天后就能成熟到可以食用的程度。同时，宇航员们在太空环境中容易产生抑郁，此太空植物培养柱及安装有该培养柱的太空专用种植系统还可作为园艺景观，减轻宇航员身心压力、缓解情绪。

此发明意味着中国的宇宙飞船和空间站及未来的月球基地都不必再携带大量制氧剂和食物，为未来实现我国载人登月和登火星计划等外星球基地生命保障系统的设计与研制提供科学依据及技术储备。

Claims (2)

1.太空植物培养柱的太空专用种植系统,所述太空植物培养柱包括中心滴灌管（1）、单透内衬（2）、根系生长层（3）、隔水膜（4）、蜂窝状支撑网（5）及种植层（6），所述中心滴灌管（1）、单透内衬（2）、根系生长层（3）、隔水膜（4）、蜂窝状支撑网（5）及种植层（6）由内到外依次连接，组成一个圆柱体,其特征在于：它包括自动给水装置、自动给养装置、水过滤循环装置及太空植物培养柱，所述自动给水装置包括进水控制阀（7）、进水管（8）及土壤湿度传感器（9），所述自动给养装置包括养分调配罐（10）和养分检测装置（11），所述水过滤循环装置包括顶部过滤层（12）、底部过滤层（13）、底部水泵（14）、顶部水泵（15）、输水管（16）、托盘一（17）及托盘二（18）；所述进水管（8）和输水管（16）均设置在所述太空植物培养柱的中心滴灌管（1）的内腔中，且进水管（8）和输水管（16）的上下端设置在太空植物培养柱的外部，进水管（8）位于太空植物培养柱内的侧壁上均匀分布数个小孔，所述进水控制阀（7）安装在进水管（8）的上端，所述土壤湿度传感器（9）位于太空植物培养柱的内部，土壤湿度传感器（9）的上端通过传感线与进水控制阀（7）连接，当缺水时，土壤湿度传感器（9）通过传感线把信号传递给进水控制阀（7），进水控制阀（7）自动打开，当不缺水时，土壤湿度传感器（9）通过传感线把信号传递给进水控制阀（7），进水控制阀（7）自动关闭；所述托盘一（17）和托盘二（18）分别设置在太空植物培养柱的上端和下端，所述顶部过滤层（12）设置在托盘一（17）上，所述底部过滤层（13）设置在托盘二（18）上，所述养分调配罐（10）位于顶部过滤层（12）的上方，养分调配罐（10）与养分检测装置（11）的一端连通，所述养分检测装置（11）的另一端伸入到输水管（16）的内部，所述输水管（16）位于托盘二（18）的下方输水管（16）的侧壁上均匀分布数个小孔，所述底部水泵（14）和顶部水泵（15）分别位于底部过滤层（13）的下方和顶部过滤层（12）的上方，底部水泵（14）的进口与进水管（8）的下端连通，底部水泵（14）的出口通过输水管（16）与顶部水泵（15）的入口连通，所述顶部水泵（15）的出口与进水管（8）的上端连通。

2.根据权利要求1所述的太空植物培养柱的太空专用种植系统，其特征在于：所述太空植物培养柱的中心滴灌管（1）的内腔填充有蛭石。