DE3934345C1

DE3934345C1 - Growing plant crops in space - involves porous skin in container with spiral channels between container and skin

Info

Publication number: DE3934345C1
Application number: DE3934345A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 2807 Achim De Loeser
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik 2800 Bremen De GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-10-14
Filing date: 1989-10-14
Publication date: 1991-01-03
Anticipated expiration: 2009-10-15

Abstract

The device is used for growing plant crops in space. It has the container (8) surrounded by a skin (9) of porous thermally conducting material which is connected with the nutrient medium (11) at least in part. Between the container (8) and the skin (9) run spiral channels (12) connected at one end with the plant growing chamber (19) and at the other end opening into an exhaust air duct, which is part of a closed air circulation system. The skin (9) is connected with at least one cooling unit (16), and is itself surrounded by a container (10) of a thermally insulating material. USE/ADVANTAGE - A relatively small and simple unit for conducting botanical experiments in space.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzucht von Pflanzenkulturen gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.The invention relates to a device for growing Plant crops according to the preamble of the patent saying 1.

Anzuchtkammern dieser Art werden unter anderem für bo tanische Raumfahrtexperimente eingesetzt; künftige An wendungen können dabei auch in der Erzeugung von Nahrungsmitteln bei Langzeitmissionen sowie in ge schlossenen Lebenserhaltungssystemen liegen. Da sowohl die Pflanzen als auch der Nährboden, in dem sie wur zeln, erhebliche Wassermengen verdunsten, die den Boden austrocknen, muß, um die Bodenfeuchte innerhalb vorge gebener Toleranzwerte zu halten, letzterem Wasser zu geführt werden.Cultivation chambers of this type are used for bo tan space experiments used; future arrival Turns can also be made in the generation of Food for long-term missions and in ge closed life support systems. Because both the plants as well as the breeding ground in which it was grown tent, significant amounts of water evaporate, causing the soil dry out, must to the soil moisture within pre given tolerance values, water to the latter be performed.

Bei Pflanzenanzuchtkammern oder in Gewächshäusern für terrestrische Anwendungen wird überdies, um die durch die Verdunstung erhöhte Luftfeuchtigkeit zu kontrollieren, die Raumluft mittels Ventilation ausge tauscht. Da Luft und Wasser als Verbrauchsstoffe in Raumfahrzeugen mitgeführt werden müssen, muß die Kon trolle der Boden- und Luftfeuchte hier mit Mitteln er folgen, die den Luft- und Wasserverbrauch auf ein Mi nimum reduzieren.In plant growing chambers or in greenhouses for terrestrial applications is also used to the the evaporation increases humidity check, the room air is ventilated swaps. Because air and water are consumable in Spacecraft must be carried, the Kon control the soil and air humidity here follow that the air and water consumption on a Mi reduce minimum.

Aus der DE-PS 32 47 695 ist eine Vorrichtung der gat tungsgemäßen Art bekannt, die speziell für Anwendungen unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit ausgelegt ist und die dieser Tatsache Rechnung trägt. Darüber hinaus ist aus der DE-OS 26 20 218 eine Aufzuchtvor richtung für Pflanzenkulturen bekannt, die sich auf terrestrische Anwendungen bezieht.From DE-PS 32 47 695 is a device of the gat appropriate type known specifically for applications designed in conditions of weightlessness and which takes this fact into account. About that In addition, from DE-OS 26 20 218 is a rearing known for plant crops that focus on relates to terrestrial applications.

Bei der aus der DE-PS 32 47 695 bekannten Aufzuchtsvor richtung gemäß dem Oberbegriff wird die für das Pflan zenwachstum erforderliche Feuchtigkeit der in der Auf zuchtkammer zirkulierenden Luft mittels eines Ver dampfers zugesetzt. Die so befeuchtete Luft wird an schließend am Kondensator wieder getrocknet und die kondensierte Feuchtigkeit wird über ein Kapillarrohr wieder dem Verdampfer zugeleitet, wo sie abermals ver dampft wird und damit erneut in den Kreislauf gelangt. Das Gesamtsystem weist dabei einerseits den Vorteil auf, daß die für das Verdampfen der Flüssigkeit erfor derliche Wärme auf diese Weise sinnvoll abgeführt wer den kann und die Vorrichtung zugleich zu Kühlzwecken sowie zum Regenerieren bzw. Reinigen und, bei Umkehrung der Betriebsweise, auch zum Trocknen der Luft in der Orbitalstation verwendet werden kann, andererseits haftet ihm jedoch der Nachteil eines relativ aufwen digen Aufbaus an. Dies gilt insbesondere dann, wenn auf die angesprochenen Nebeneffekte verzichtet werden soll und eine solche Vorrichtung ausschließlich der Pflan zenzucht dienen soll. In the breeding known from DE-PS 32 47 695 Direction according to the generic term is for the plant zen growth required moisture in the on air circulating chamber by means of a ver added steamers. The humidified air turns on then dried again on the condenser and the Condensed moisture is passed through a capillary tube fed back to the evaporator, where they ver is steamed and thus gets back into the cycle. The overall system has the advantage on the one hand on that needed for the evaporation of the liquid heat dissipated sensibly in this way can and the device at the same time for cooling purposes as well as for regeneration or cleaning and, when reversed the mode of operation, also for drying the air in the Orbital station can be used, on the other hand however, he suffers the disadvantage of being relatively expensive construction. This is especially true when on the mentioned side effects should be avoided and such a device exclusively the plant breeding should serve.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sie einen möglichst einfachen Aufbau und zugleich möglichst ge ringe Abmessungen aufweist, so daß sie zur Durchführung botanischer Experimente im Weltraum trotz des geringen zur Verfügung stehenden Raumes und der herrschenden Gewichtsbeschränkungen in mehrfacher Ausführung in einem Weltraumfahrzeug mitgeführt werden kann.The object of the invention is therefore a device of the generic type so that they form one construction as simple as possible and at the same time ge rings has dimensions so that they can be carried out botanical experiments in space despite the small available space and the prevailing Multiple weight restrictions in can be carried on a spacecraft.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung im Hinblick auf eine optimale Anpassung an die Einsatz bedingungen an Bord eines Raumfahrzeuges sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.The invention solves this problem with a device with the characteristic features of the patent Proverb 1. Advantageous embodiments of the invention with a view to optimal adaptation to the application Conditions on board a spacecraft are in the further subclaims specified.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt dabei den Vor teil, daß sie eine nahezu vollständige Rückgewinnung des verdunsteten Wassers erlaubt, so daß nur diejenige Wassermenge ersetzt werden muß, die während des Wachstums in den Pflanzen gespeichert wird, zudem er folgt bei ihr ein automatischer Wassertransport vom Kondensator zum Nährboden. Da sie überdies keine be wegten Komponenten aufweist, kann praktisch kein Ver schleiß eintreten. Schließlich erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine weitgehend selbst tätige Regelung des Wasserhaushalts.The device according to the invention has the front part that they have an almost complete recovery of the evaporated water allowed so that only that Amount of water that must be replaced during the Growth is stored in the plants, moreover he there follows an automatic water transport from Condenser to the culture medium. Since they also have no be has moved components, practically no Ver wear out. Finally, at device according to the invention a largely self active regulation of the water balance.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:In the following the invention with reference to the drawing are explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine weitgehend schematische Darstellung eines aus mehreren Anzuchtvorrichtungen bestehenden Systems und Fig. 1 is a largely schematic representation of a system consisting of several growing devices and

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bodenbereichs einer Vorrichtung zur Pflanzenanzucht. Fig. 2 is an enlarged view of the bottom area of a plant growing device.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 sind mehrere Vorrich tungen zur Pflanzenanzucht, sogenannte Anzuchtküvetten, 1 bis 3 über einen gemeinsamen Luftkreislauf, bestehend aus einer Zuluftleitung 4, einer Abluftleitung 5, einem Gebläse 6 sowie einem Wärmetauscher 7, zu einem System zusammengefaßt. Die Anzahl derartiger Anzuchtküvetten in einem solchen System ist dabei selbstverständlich nicht auf drei beschränkt, sondern beliebig erweiter bar.In the illustration of FIG. 1, a plurality Vorrich are obligations for plant cultivation, so-called Anzuchtküvetten, 1 consisting summarized to 3 via a common air circuit from a supply air duct 4, an exhaust air line 5, a fan 6 and a heat exchanger 7 to a system. The number of such cuvettes in such a system is of course not limited to three, but can be expanded as desired.

Der Luftkreislauf ist so aufgebaut, daß relativ troc kene Luft in den oberen Bereich der einzelnen Anzucht vorrichtungen 1 bis 3 eintritt, daß sie anschließend die durch Pflanzen- und Bodenverdunstung entstandene Feuchtigkeit aufnimmt und dann am unteren Ende der An zuchtvorrichtungen austritt. Vorher strömt die Luft an den Komponenten einer Wasserrückgewinnungseinrichtung vorbei, die nachfolgend näher erläutert werden, und gibt dabei die in der jeweiligen Anzuchtvorrichtung aus der Luft aufgenommene Feuchtigkeit wieder ab.The air cycle is constructed so that relatively dry air enters the upper region of the individual growing devices 1 to 3 , that it then absorbs the moisture caused by plant and soil evaporation and then emerges at the lower end of the breeding devices. Before this, the air flows past the components of a water recovery device, which are explained in more detail below, and in the process releases the moisture absorbed from the air in the respective cultivation device.

Wie aus der Darstellung in Fig. 2 ersichtlich, ist im Bodenbereich jeder der Anzuchtvorrichtungen 1 bis 3 ein als Aufnahmebehälter dienender innerer Zylinder 8 von einem ebenfalls zylindrischen Mantel 9 umgeben und mit diesem zusammen in einem weiteren zylinderförmigen Be hälter 10 angeordnet. Während der Aufnahmebehälter 8 dabei aus einem vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Werkstoff, im vorliegenden Fall PTFE ("Teflon"), ge fertigt ist, besteht der Mantel 9 aus einem metal lischen Sinterwerkstoff, der Porösität mit einer ver gleichsweise guten Wärmeleitfähigkeit verbindet. Dieser Mantel 9, der die Funktion eines Kondensators und Dochtes versieht, erstreckt sich über den Rand des in neren Zylinders 8 hinaus und steht so mit dem in der Anzuchtvorrichtung befindlichen Nährboden 11 in di rektem Kontakt. Als Nährboden kann dabei, wie im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels, Torf ver wendet werden. Schließlich ist, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren, als Material für den äußeren Behälter 10 wiederum PTFE ("Teflon"), d.h. ein Material mit geringer Wärmeleitung gewählt worden.As can be seen from the illustration in FIG. 2, in the bottom region of each of the cultivation devices 1 to 3 a serving as a receiving container inner cylinder 8 is surrounded by a likewise cylindrical jacket 9 and arranged together with this in a further cylindrical loading container 10 . While the receptacle 8 is made of a comparatively poorly heat-conducting material, in the present case PTFE ("Teflon"), the jacket 9 consists of a metallic sintered material that combines porosity with a comparatively good thermal conductivity. This jacket 9 , which provides the function of a capacitor and wick, extends beyond the edge of the inner cylinder 8 and is thus in direct contact with the nutrient medium 11 in the cultivating device. As a breeding ground, peat can be used as in the case of the exemplary embodiment described here. Finally, in order to minimize heat exchange with the surroundings, PTFE ("Teflon"), ie a material with low heat conduction, has again been chosen as the material for the outer container 10 .

In die Außenhaut des Aufnahmebehälters 8 sind spiral förmig verlaufende Kanäle 12 eingearbeitet, die an den Mantel 9 grenzen und die über eine im äußeren Behälter 10 sowie im Mantel 9 verlaufende Zuführbohrung 13 mit dem Luftraum über dem Nährboden 11 in Verbindung ste hen. Am unteren Ende der Vorrichtung münden die Kanäle 12 in einen Verteilerkanal 14, von wo aus über eine Auslaßöffnung 15 eine Verbindung zur Abluftleitung 5 besteht. In the outer skin of the receptacle 8 spirally extending channels 12 are incorporated, which border on the jacket 9 and the hen via a running in the outer container 10 and in the jacket 9 feed hole 13 with the air space above the nutrient medium 11 in connection. At the lower end of the device, the channels 12 open into a distribution channel 14 , from where there is a connection to the exhaust air line 5 via an outlet opening 15 .

Im unteren Bereich des Mantels 9 sind, gleichmäßig über den Umfang verteilt, einige Peltier-Elemente 16 ange ordnet, von denen in der Zeichnung eines im Schnitt dargestellt ist. Die kalte Seite 16a der Peltier- Elemente 16 weist nach oben und kühlt auf diese Weise den darüber befindlichen Bereich des Mantels 9, während seine heiße Seite 16b mit einem Block 17 aus Sinter metall in thermischem Kontakt steht. Vervollständigt wird die Anordnung durch eine Abdeckung 18, die den Wuchsraum 19 der Pflanzen begrenzt.In the lower area of the jacket 9 , evenly distributed over the circumference, some Peltier elements 16 are arranged, one of which is shown in section in the drawing. The cold side 16 a of the Peltier elements 16 faces upward and cools the area of the jacket 9 above it, while its hot side 16 b is in thermal contact with a block 17 of sintered metal. The arrangement is completed by a cover 18 which delimits the growth space 19 of the plants.

Die über die Zuführbohrung 13 in den Spiralkanal 12 eintretende feuchte Luft wird unter der Wirkung des Gebläses 6 beschleunigt, so daß aufgrund der entste henden Zentrifugalkraft in der Luft befindliche Kon densattropfen auf den gekühlten Mantel 9 geschleudert werden und außerdem auf diese Weise der Wärmeaustausch zwischen der zu trocknenden Luft und dem als Kondensa tor wirkenden Mantel 9 gefördert wird und es zu weiterer Kondensatbildung kommt.The entering through the feed bore 13 in the spiral channel 12 moist air is accelerated under the action of the blower 6 , so that due to the resulting centrifugal force in the air condensate drops are thrown onto the cooled jacket 9 and also in this way the heat exchange between the air to be dried and the jacket acting as a capacitor 9 is promoted and further condensate formation occurs.

Die Peltier-Elemente 16 wirken als Wärmepumpe und transportieren die gesamte anfallende Wärme von ihrer kalten Seite 16a zur heißen Seite 16b, wo diese den Sintermetallblock 17 erwärmt. An diesem strömt die Luft nach dem Verlassen des spiralförmigen Kanals 12 über den Verteilerkanal 14 vorbei und verläßt die Anzucht vorrichtung trocken aber mit einer höheren Temperatur als bei ihrem Eintritt. Diese zusätzliche Wärme wird über den Wärmetauscher 7 abgeführt.The Peltier elements 16 act as a heat pump and transport the entire heat from their cold side 16 a to the hot side 16 b, where it heats the sintered metal block 17 . At this the air flows after leaving the spiral channel 12 over the distribution channel 14 and leaves the cultivation device dry but at a higher temperature than when it entered. This additional heat is dissipated via the heat exchanger 7 .

Die durch die Fliehkraft an den als Kondensator sowie als Docht wirkenden Mantel 9 geschleuderten Kondensat tropfen werden durch die Kapillarwirkung des Sinterma terials zum Pflanzennährboden 11 gefördert, der auf diese Weise mit Feuchtigkeit versorgt wird und die hier nicht dargestellte in den Nährboden 11 eingebettete Pflanze versorgt.Dripping thrown by centrifugal force to the acting as a condenser and as a wick jacket 9 condensate are conveyed by the capillary action of the Sinterma terials for plant culture medium 11 which is supplied in this way with moisture and not shown here in the culture medium 11 embedded plant supplied.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1-3 Anzuchtvorrichtungen (gesamt)
4 Zuluftleitung
5 Abluftleitung
6 Gebläse
7 Wärmetauscher
8 innerer Zylinder, Aufnahmebehälter
9 Mantel
10 äußerer Zylinder
11 Nährboden
12 Kanäle
13 Zuführbohrung
14 Verteilerkanal
15 Auslaßöffnung
16 Peltier-Element a: kalte Seite, b: heiße Seite
17 Sinterblock
18 Abdeckung
19 Wuchsraum 1-3 cultivation devices (total)
4 supply air line
5 exhaust duct
6 blowers
7 heat exchangers
8 inner cylinder, receptacle
9 coat
10 outer cylinders
11 breeding ground
12 channels
13 feed hole
14 distribution channel
15 outlet opening
16 Peltier element a: cold side, b: hot side
17 sinter block
18 cover
19 growth room

Claims

1. Apparatus for growing plant crops, in particular for use under space conditions, consisting of a container for holding a nutrient medium and the plant culture, a cover defining a plant growth area and with at least one condenser, one cooling device and one capillary element, characterized in that in that the receiving container (8) is surrounded by a jacket (9) of a porous, thermischlei Tenden material which at least a portion of its upper wall with the culture medium (11) in turn is in connection, that in the wall region between the receptacle ( 8 ) and the jacket ( 9 ) spirally over the circumference ver running channels ( 12 ) are provided, which on the one hand are connected to the plant growth area ( 19 ) and the other end of which leads into an exhaust air line ( 5 ), which is part of a closed air circuit is that the jacket ( 9 ) with little least a cooling device g ( 16 ) is connected, and that the jacket ( 9 ) is in turn surrounded by a container ( 10 ) made of a thermally insulating material.

2. Device according to claim 1, characterized in that the waste heat of the cooling device ( 16 ) of the exhaust air can be supplied.

3. Device according to claim 2, characterized in that the cooling device consists of at least one Peltier element ( 16 ), the cold side ( 16 a) with the jacket ( 9 ) and the hot side ( 16 b) with an outlet opening ( 15 ) is a thermal connection for the exhaust air.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the receiving container ( 8 ) consists of a thermally poorly conductive material.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the jacket ( 9 ) consists of a metallic sintered material.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of such devices 1-3 are combined via a common, a fan ( 6 ) and a heat exchanger ( 7 ) having an air circuit.