CN105104155A - 用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置 - Google Patents

用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置 Download PDF

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Abstract

用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置,属于太空植物培养领域,它提供一种能够保证航天员长时间的失重状态下的植物蔬菜类营养需求,适合在航天环境下使用,用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置。所述微生物发电装置与计算机连接,所述计算机与中央控制器连接,所述中央控制器通过导线与中央监测装置和盘式传动装置的电机连接,所述中央调节装置通过导线与中央控制器连接,所述中央调节装置通过两根水管一与盘式传动装置连接,中央监测装置、中央调节装置、盘式传动装置均设置在培养箱内。本发明保证航天员长时间的失重状态下的植物蔬菜类营养需求,还能提供氧气的供应,适合在航天环境下使用。

Description

用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置
技术领域
[0001] 本发明属于太空植物培养领域,特别是一种涉及航天员专用智能化植物培养装置。
背景技术
[0002] 航天技术的发展,使各国的生命保障技术和生物学专家清楚地认识到,载人航天的目标不只是近地轨道上的短期飞行,还有月球基地、火星基地和更加遥远的深空,要实现这些目标,必须依靠生物再生生命保障系统技术。在科学家基于空间环境特点,人工设计建造的密闭微生态循环系统中,绿色植物,尤其是蔬菜,承担了主要任务。在太空种植食材,将很好地解决未来长途太空旅行中的一大难题:新鲜食物的供给。而就短期而言,则能起到成本削减的作用,除了那些高热量并能长期存放的食品外,新鲜食物尤其是蔬菜水果的储存时间非常有限,不能够保证航天员长时间的失重状态下的植物蔬菜类营养需求。
发明内容
[0003] 为解决上述问题,本发明提供一种能够保证航天员长时间的失重状态下的植物蔬菜类营养需求,适合在航天环境下使用,用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置。
[0004] 本发明所采取的技术措施是:空间站自给养生命保障系统一一智能化植物培养装置,包括微生物发电装置、计算机、中央控制器、中央监测装置、盘式传动装置、中央调节装置、培养箱及导线;所述微生物发电装置与计算机连接,所述计算机与中央控制器连接,所述中央控制器通过导线与中央监测装置和盘式传动装置的电机连接,所述中央调节装置通过导线与中央控制器连接,所述中央调节装置通过两根水管一与盘式传动装置连接,中央监测装置、中央调节装置、盘式传动装置均设置在培养箱内。
[0005] 本发明的有益效果在于:
1、本发明通过真空栗来克服航天微重力环境;
2、本发明可以保证航天员长时间的失重状态下的植物蔬菜类营养需求,还能提供氧气的供应,适合在航天环境下使用;
3、本发明具有个性化选择、植物种类多、克服航天微重力环境、智能化等特点,可用于空间站航天员、航空飞行员、野战部队、航海、潜艇等活动,还可用于地面的普通人群。
[0006] 4、本发明的微生物发电装置利用微生物的新陈代谢作用降解有机物质,并将有机物质中潜在的化学能直接转化为电能,实现废物处理与能源再生的同步进行。在适当的反应条件下,微生物燃料电池可以从有机物中提取90%以上的电能,电子传递效率足够高的情况下,完全可以达到能源再生和自给自足,实现环境保护和能量再利用,为本发明的长时间、持续使用提供了可靠的保证。
附图说明
[0007] 图1:本发明的组织结构示意图;
图2:盘式传动装置的结构示意图;
图3:图2之A部放大图;
图4:植物培养柱的结构示意图;
其中:1_微生物发电装置;2_计算机;3_中央控制器;4_中央监测装置;4-1_温度传感器;4-2_湿度传感器;4-3_光照传感器;4-4_气体传感器;4-5_基质湿度传感器;
4-6-营养情况传感器;5_盘式传动装置;5-1_传动盘上传动盘;5-1-2_下传动盘;
5-2-植物培养柱;5-2-1-中心滴灌管;5-2-2-单透内衬;5_2_3-根系生长层;5_2_4-隔水膜;5-2-5_蜂窝状支撑网;5-2-6_种植层;5-3_伸缩管;5_4_传动轴;5_5_传动齿轮;5-6-轴承;5-6-1_上轴承;5-6-2_下轴承;5_7_电机;5_8_电机齿轮;5_9_养料供给总管;
5-10-回水管道总管;6-中央调节装置;6-1-空调机;6-2-加湿器;6-3- LED照明光源;
6-4-LVD照明光源;6-5_冷凝器;6-6_储水罐;6_7_营养液罐;6_8_水处理罐;6_9_水回收罐;6_10_电磁真空栗;6_11_水管一 ;6_12_过滤器;6_13_水管二 ; 7-培养箱。
具体实施方式
[0008] 如图1〜4所示,空间站自给养生命保障系统一一智能化植物培养装置,包括微生物发电装置1、计算机2、中央控制器3、中央监测装置4、盘式传动装置5、中央调节装置6、培养箱7及导线;其特征在于:所述微生物发电装置I与计算机2连接,所述计算机2与中央控制器3连接,所述中央控制器3通过导线与中央监测装置4和盘式传动装置5的电机5-7连接,所述中央调节装置6通过导线与中央控制器3连接,所述中央调节装置6通过两根水管一 6-11与盘式传动装置5连接,中央监测装置4、中央调节装置6、盘式传动装置5均设置在培养箱7内。
[0009] 所述盘式传动装置5包括两个传动盘5-1、多个植物培养柱5-2、多根伸缩管5_3、传动轴5-4、传动齿轮5-5、两个轴承5-6、电机5-7、电机齿轮5_8、养料供给总管5_9及回水管道总管5-10,所述两个传动盘5-1为两个外径相等的圆盘,所述植物培养柱5-2与伸缩管5-3数量相同,所述两个传动盘5-1分别是上传动盘5-1-1和下传动盘5-1-2,所述两个轴承5-6分别是上轴承5-6-1和下轴承5-6-2,所述上传动盘5_1_1和下传动盘5_1_2上下并列且同轴设置,所述多个植物培养柱5-2均竖向设置在上传动盘5-1-1和下传动盘5-1-2之间,且多个植物培养柱5-2的上下端与上传动盘5-1-1和下传动盘5-1-2固定连接,多个植物培养柱5-2沿上传动盘5-1-1和下传动盘5-1-2的外周边均布设置,所述传动轴5-4为空心轴,传动轴5-4位于上传动盘5-1-1和下传动盘5-1-2中心处并与上传动盘5-1-1和下传动盘5-1-2固定连接,传动轴5-4的上端通过上轴承5-6-1与养料供给总管5_9的一端固定连接,传动轴5-4的下端通过下轴承5-6-2与回水管道总管5-10的一端固定连接,所述多根伸缩管5-3的一端均与传动轴5-4侧壁上部固定连接且与传动轴5-4的内腔相通,多根伸缩管5-3的另一端依次穿过上传动盘5-1-1、多个植物培养柱5-2的中心滴灌管5-2-1及下传动盘5-1-2与传动轴5-4侧壁下部固定连接并与传动轴5_4内腔相通,多根伸缩管5-3穿入多个植物培养柱5-2的中心滴灌管5-2-1内的部分管壁上设有多个小孔,所述传动齿轮5-5固定在传动轴5-4上且位于上轴承5-6-1与多根伸缩管5-3之间,所述电机5-7固定在培养箱7上,所述电机齿轮5-8固定在电机5-7的输出轴上,电机齿轮5_8与传动齿轮5-5相互嗤合。
[0010] 所述中央监测装置4包括温度传感器4-1、湿度传感器4-2、光照传感器4-3、气体传感器4-4、基质湿度传感器4-5、营养情况传感器4-6 ;所述温度传感器4-1、湿度传感器
4-2、光照传感器4-3、气体传感器4-4、基质湿度传感器4-5、营养情况传感器4_6均分别通过导线7与中央控制器3的端口连接,所述基质湿度传感器4-5设置在植物培养柱5-2的根系生长层5-2-3内。所述温度传感器4-1感知实际温度,实时传输给中央控制器3,根据监测情况启动空调6-1进行温度调节,可以摆脱植物生长昼夜节律这一生理特性。
[0011] 所述湿度传感器4-2可以准确测定植物生长需要湿润的环境和叶片也会因蒸腾作用向空气中蒸发水分,实时传输给中央控制器3,根据监测情况启动加湿器6-2或冷凝器6-5,可以为植物生长提供适宜的外部湿度,且可以回收多余的水分,再加以有效利用,可以节约水资源。
[0012] 所述光照传感器4-3可以敏锐的感知光的强度,并通过中央控制器3对LED照明光源6-3和多个LVD照明光源6-4进行明暗调节。
[0013] 所述气体传感器4-4可以检测CO2和O2的气体浓度,实时传输给中央控制器3,再通过空调机6-1,根据植物生长需要进行储存和释放。
[0014] 所述基质湿度传感器4-5设置在植物培养柱5-2的根系生长层5-2-3内,可以感知基质是干旱缺水还是水分充足,再通过中央控制器3调配水和营养液进行灌溉。
[0015] 所述中央调节装置6包括空调机6-1、加湿器6-2、两个LED照明光源6_3、多个LVD照明光源6-4、冷凝器6-5、储水罐6-6、营养液罐6-7、水处理罐6_8、水回收罐6_9、电磁真空栗6-10、两根水管一 6-11、若干根水管二 6-13及过滤器6-12 ;所述空调机6_1、加湿器6-2、两个LED照明光源6-3、多个LVD照明光源6_4、冷凝器6_5、储水罐6_6、营养液罐6_7、水处理罐6-8、水回收罐6-9及电磁真空栗6-10均分别通过导线与中央控制器3的所对应的端口连接,所述两个LED照明光源6-3固定在培养箱7墙面上并分别设置在多个植物培养柱5-2上方和下方,所述多个植物培养柱5-2的外侧均对应放置一个LVD照明光源6-4,所述电磁真空栗6-10通过两根水管一 6-11的其中一根水管6-11与养料供给总管5-9连通,所述水回收罐6-9通过两根水管一 6-11的另一根水管6-11与过滤器6-12及回水管道总管5-10连通,所述电磁真空栗6-10、营养液罐6-7、储水罐6-6、水处理罐6_8、水回收罐6-9依次通过若干水管二 6-13两两连接。
[0016] 所述LVD照明光源6-3位于培养箱8的顶部和底部,所述多个LED柱形光源位于植物培养柱5-2的左右两侧,从多角度给光,无死角照射,使植物均匀、温和的接受光照,植物茁壮生长。
[0017] 所述电磁真空栗6-10为水分的输送提供动力;
所述水回收罐6-9回收冷凝水,为灌溉提供水源;
所述冷凝器6-5将多余水分冷凝储备;
所述加湿器6-2用于增加空气湿度;
所述空调6-1可调整CO2和O2的气体浓度;
所述水处理罐6-8用于过滤流经植物柱的水分,除去杂质;
所述储水罐6-6用于储水,为加湿、营养液调配、灌溉提供水源;
所述营养液罐6-7内部含多种肥料元素,智能检测调配; 所述过滤器6-12用于过滤除菌,还可以除去植物生长过程中产生的对其自身生长不利的次生代谢产物。
[0018] 所述每个植物培养柱5-2由内到外依次包括中心滴灌管5-2-1、单透内衬5_2_2、根系生长层5-2-3、隔水膜5-2-4、蜂窝状支撑网5-2-5及种植层5_2_6,所述中心滴灌管
5-2-1的侧壁上均匀分布若干通孔。所述通孔可以将中心滴灌管5-2-1内的水渗入单透内衬5-2-2和根系生长层5-2-3。在太空中微重力的作用下,植物生长失去向地性,而且零重力环境并不会对植物生长造成影响,所以所述植物培养柱5为柱式可以充分利用太空舱内有效空间。

Claims (5)

1.一种用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置,包括微生物发电装置(1)、计算机(2)、中央控制器(3)、中央监测装置(4)、盘式传动装置(5)、中央调节装置(6)、培养箱(7)及导线;其特征在于:所述微生物发电装置(I)与计算机(2)连接,所述计算机(2)与中央控制器(3)连接,所述中央控制器(3)通过导线与中央监测装置(4)和盘式传动装置(5)的电机(5-7)连接,所述中央调节装置(6)通过导线与中央控制器(3)连接,所述中央调节装置(6)通过两根水管一(6-11)与盘式传动装置(5)连接,中央监测装置(4)、中央调节装置(6 )、盘式传动装置(5 )均设置在培养箱(7 )内。
2.根据权利要求1所述的用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置,其特征在于:所述盘式传动装置(5)包括两个传动盘(5-1)、多个植物培养柱(5-2)、多根伸缩管(5_3)、传动轴(5_4)、传动齿轮(5_5)、两个轴承(5_6)、电机(5_7)、电机齿轮(5_8)、养料供给总管(5-9)及回水管道总管(5-10),所述两个传动盘(5-1)为两个外径相等的圆盘,所述植物培养柱(5-2)与伸缩管(5-3)数量相同,所述两个传动盘(5-1)分别是上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2),所述两个轴承(5-6)分别是上轴承(5-6-1)和下轴承(5-6-2),所述上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2)上下并列且同轴设置,所述多个植物培养柱(5-2 )均竖向设置在上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2 )之间,且多个植物培养柱(5-2)的上下端与上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2)固定连接,多个植物培养柱(5-2)沿上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2)的外周边均布设置,所述传动轴(5-4)为空心轴,传动轴(5-4)位于上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2)中心处并与上传动盘(5-1-1)和下传动盘(5-1-2)固定连接,传动轴(5-4)的上端通过上轴承(5-6-1)与养料供给总管(5-9)的一端固定连接,传动轴(5-4)的下端通过下轴承(5-6-2)与回水管道总管(5-10)的一端固定连接,所述多根伸缩管(5-3)的一端均与传动轴(5-4)侧壁上部固定连接且与传动轴(5-4)的内腔相通,多根伸缩管(5-3)的另一端依次穿过上传动盘(5-1-1)、多个植物培养柱(5-2)的中心滴灌管(5-2-1)及下传动盘(5-1-2)与传动轴(5-4)侧壁下部固定连接并与传动轴(5-4)内腔相通,多根伸缩管(5-3)穿入多个植物培养柱(5-2)的中心滴灌管(5-2-1)内的部分管壁上设有多个小孔,所述传动齿轮(5-5 )固定在传动轴(5-4)上且位于上轴承(5-6-1)与多根伸缩管(5-3)之间,所述电机(5-7)固定在培养箱(7)上,所述电机齿轮(5-8)固定在电机(5-7)的输出轴上,电机齿轮(5-8)与传动齿轮(5-5)相互啮合。
3.根据权利要求1或2所述的用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置,其特征在于:所述中央监测装置(4)包括温度传感器(4-1)、湿度传感器(4-2)、光照传感器(4-3)、气体传感器(4-4)、基质湿度传感器(4-5)、营养情况传感器(4-6);所述温度传感器(4-1)、湿度传感器(4-2)、光照传感器(4-3)、气体传感器(4-4)、基质湿度传感器(4-5)、营养情况传感器(4-6)均分别通过导线(7)与中央控制器(3)的端口连接,所述基质湿度传感器(4-5)设置在植物培养柱(5-2)的根系生长层(5-2-3)内。
4.根据权利要求3所述的用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置,其特征在于:所述中央调节装置(6)包括空调机(6-1)、加湿器(6-2)、两个LED照明光源(6-3)、多个LVD照明光源(6-4)、冷凝器(6-5)、储水罐(6-6)、营养液罐(6-7)、水处理罐(6_8)、水回收耀(6_9)、电磁真空栗(6_10)、两根水管一(6_11 )、若干根水管二(6_13)及过滤器(6-12);所述空调机(6-1)、加湿器(6-2)、两个LED照明光源(6-3)、多个LVD照明光源(6-4 )、冷凝器(6-5 )、储水罐(6-6 )、营养液罐(6-7 )、水处理罐(6_8 )、水回收罐(6_9 )及电磁真空栗(6-10)均分别通过导线与中央控制器(3)的所对应的端口连接,所述两个LED照明光源(6-3)固定在培养箱(7)墙面上并分别设置在多个植物培养柱(5-2)上方和下方,所述多个植物培养柱(5-2)的外侧均对应放置一个LVD照明光源(6-4),所述电磁真空栗(6-10)通过两根水管一(6-11)的其中一根水管(6-11)与养料供给总管(5-9)连通,所述水回收罐(6-9)通过两根水管一(6-11)的另一根水管(6-11)与过滤器(6-12)及回水管道总管(5-10 )连通,所述电磁真空栗(6-10 )、营养液罐(6-7 )、储水罐(6-6 )、水处理罐(6-8 )、水回收罐(6-9 )依次通过若干水管二(6-13)两两连接。
5.根据权利要求2所述的用于空间站自给养生命保障系统的智能化植物培养装置,其特征在于:所述每个植物培养柱(5-2)由内到外依次由中心滴灌管(5-2-1)、单透内衬(5-2-2 )、根系生长层(5-2-3 )、隔水膜(5-2-4 )、蜂窝状支撑网(5-2-5 )及种植层(5-2-6 )固定连接构成,所述中心滴灌管(5-2-1)侧壁上均匀分布若干通孔。
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CN111084027A (zh) * 2019-12-26 2020-05-01 重庆大学 用于地外空间的生物培养系统的壳体组件

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