У входа в Инженерную школу новых производственных технологий Томского политехнического университета возведена необычная теплица. Стенки у нее надувные, внутри — какие- то хитрые конструкции. «Приезжайте, скоро будут огурцы, а потом и клубника», — улыбается Алексей Николаевич Яковлев, директор инженерной школы, кандидат физико-математических наук, доцент ТПУ. Такая чудесная теплица — почти сказочная скатерть- самобранка, да и сам А.Н. Яковлев пользуется здесь репутацией фантазера — но умеющего претворять замыслы в жизнь. А замыслов громадье: от целебных микроводорослей и биотоплива из куриного навоза до масштабных космических проектов.
О самых актуальных разработках этого научно- производственного комплекса и пошел наш разговор.
— Алексей Николаевич, слышала, что это называется «смарт- теплица». Что это значит?
— Это значит «умная теплица». А начинали мы со света. Пять или шесть лет назад мы озадачились проблемой того, что для человека и растений нужны разные компоненты света. Если мы представим солнечный свет в виде энергии, то получим непрерывный спектр, который напоминает некую песчаную горку, и в ней есть разные по энергии кванты света. Они интегральные, то есть каждый из них несет определенную энергию и информацию для растений, и растения соответствующим образом реагируют на этот свет. На самом деле, когда проектируют освещение, то рассчитывают в большей степени на человека, а потом уже рассматривают растения. Осветительные установки всегда создавали таким образом, чтобы приблизиться к Солнцу. Но при этом мы сегодня понимаем, что избыточное тепло рассеивается в атмосферу, и это приводит к тому, что климат меняется. Потребление энергии тоже связано с тем, что мы вначале получаем электричество, сжигаем какое-то количе- ство углеводорода и этим тоже разогреваем Землю и атмосферу, что способствует изменению климата. Это, с одной стороны, проблемы экологии, а с другой — ресурсоэффективности. Мы начали думать о том, каким образом сэкономить электроэнергию, чтобы было и экономично, и эффективно.
С этой целью стали изучать построение облучательных установок, которые используются для теплиц. Оказалось, что в нашей стране преобладающие технологии — голландские, которые предлагают все решать в комплексе: не просто свет, а полностью теплицу со всеми комплектующими.
— Но ведь и у вас теплица.
— Сначала мы разработали облучатель, эффективный для теплиц. Но столкнулись с тем, что фермеры не готовы его использовать. Они сомневаются, требуют доказательств, что с таким облучателем урожайность не упадет, а вырастет. В голландской теплице, опять же, использовать наш облучатель проблематично. И так мы пришли к «умной» теплице. Но как заинтересовать фермера? Ведь это человек, который не обладает большими ресурсами. Ему это должно быть прежде всего выгодно и не слишком трудоемко. Если голландские конструкции капитальные, то мы решили сделать свои легковозводимыми. Это раз. Второе — недорогими, чтобы они окупались за два-три года и чтобы это было законченное решение под ключ. Они быстрые в реализации: максимум год от нулевой стадии до получения урожая. К тому же это должна быть теплица, предусматривающая возможность трансформации и плановой поэтапной модернизации, чтобы фермер мог реализовывать дополнительные ресурсы. Далее, эта теплица должна потреблять как можно меньше световой и тепловой энергии.
— Как же вам удалось добиться того, что все это быстро окупается?
— Мы связали это с различными возможностями сельского хозяйства. Скажем, использование органических отходов, которые есть у фермера. Они связаны, например, с животноводством, птицеводством либо просто с сельским хозяйством, где возникает много отходов растительного происхождения. Куда их девают? В компосты превращают, скотине скармливают или просто отваливают на могильники, которые используются у данного предприятия.
— А ведь это тоже экологически небезопасно.
— Да, это так. Поэтому мы начали думать и предложили модульную конструкцию, которая исполняется в виде полиэтиленовой теплицы. Пока это экспериментальный вариант, который мы будем дорабатывать, чтобы он выдерживал наши климатические условия. Сибирь — это восемь месяцев зимы. Как здесь говорят, лето у нас короткое, но малоснежное.
Решения в такой теплице будут зонированные, поделенные на части, в зависимости от того, какие там будут выращивать овощи либо другие культуры. Для того чтобы теплица стала ресурсосберегающей, мы используем солнечную энергию, геотермальные источники энергии, то есть те, которые находятся, например, под землей.
— А как вы это делаете?
— У нас созданы гелиосистемы, преобразующие солнечную энергию в определенные накопители. Геотермальные— это радиаторы, которые закапываются в землю, и потом с помощью теплового насоса используется разница температур. Ну и стандартные солнечные батареи — получение электроэнергии, которую мы используем для освещения, отопления теплицы. Рассматривались также и биогазовые установки. Это накопители, куда собираются отходы, например, животноводческих либо птицеводческих производств. Для этого используются емкости, куда собираются отходы, внутрь запускаются метаногены или микроорганизмы, которые в своей деятельности выделяют биометан. Сейчас мы запускаем экспериментальный полигон.
— А где же вы возьмете отходы животноводства?
— Мы заведем автоматизированный курятник голов на 200. Одна курица дает 200 г помета в день. В пересчете на электроэнергию мы сможем получать от одной курицы 3,5 кВт электроэнергии в месяц.
— Это вы сами придумали— получать электроэнергию из куриного помета?
— Нет, это известная вещь. Но у нас здесь есть свое ноу-хау, или объект интеллектуальной деятельности. Это патент, который позволяет нам увеличить эффективность работы биогазовых установок в пять-восемь раз за счет электростимуляции микроорганизмов. С помощью специального устройства мы воздействуем на микроорганизмы, они впадают в стресс и, как некоторые люди, начинают больше есть и, соответственно, быстрее размножаться. В результате мы получаем больше биометана. Раньше, пока мы не придумали такое решение, в сибирских условиях биогазовые установки фактически не использовались, потому что их нужно очень хорошо утеплять, а это было невозможно. За счет патента мы получили ту необходимую прибавку, которую как раз можно использовать для преобразования биометана в тепло или в электричество. Для этого используются когенераторы, которые делят часть в тепло и часть в электричество, и это используется в теплицах.
Мы посчитали, что для теплицы на полтора гектара срок окупаемости — три года. Мы ориентируемся на сумму 3-5 млн руб., чтобы наш тепличный комплекс был рентабельным для среднего фермера. В Томской области фермерам, участвующим в конкурсе, выделяют именно такие гранты.
Таким образом, мы рассчитываем на то, что в скором будущем наши тепличные комплексы заработают для всех.
— Это технология только для Томской области?
— Нет, мы собираемся ее расширять и предлагать для всей северной территории России. Например, можно объединить курятник и биогазовую установку, поместить их в сорокафутовый контейнер и отправить ледоколом в Арктику. Пока этот ледокол плывет. а это месяца два, там уже будут свежие яйца, куры выросли, а в теплице созрел первый урожай огурцов и других овощей. А можно в тайге поставить эту ферму, и она там заработает. Отходы от биогазовой установки можно запускать на гидропонику. Ничего не нужно специальным образом готовить: запустил — и занимаешься своими делами.
— Получается замкнутый цикл.
— Да, замкнутый, экологически чистый и достаточно рентабельный проект. А еще можно от биогаза заправлять трактора и автомобили. Или использовать для космонавтов на обитаемых станциях. Я сказал об этом в РКК «Энергия». Мне ответили, что проект интересный. Будем сотрудничать.
— Ну и размах — от тайги до космоса! А что за облучатели установлены в ваших теплицах?
— У нас в Томске есть стратегический партнер — НИИ полупроводниковых приборов (НИИПП). Это один из ведущих производителей отечественной промышленности в области светодиодной светотехники. Они будут обеспечивать наш проект необходимым количеством облучателей, чтобы мы могли эти теплицы поставлять фермерам. В чем смысл? В том, что, как я уже сказал, растениям не нужен весь спектр света. Вот почему листья у растений зеленые? Да потому, что они не нуждаются в этом зеленом свете. Точнее, если и нуждаются. то совсем немного. Мы исходили как раз из этих свойств. Смоделировали трехцветный облучатель. потом посмотрели, насколько у нас качественное облучение за счет использования стандартных светодиодов— например, белых. Они тоже бывают разные — теплого и холодного цвета. Холодный белый — это означает, что там много синего, теплый — больше красного. Известно, что для работы нам лучше холодный белый, для отдыха — теплый.
— А растениям что нужно?
— Для растений нужно подавать такой спектр, в котором есть много красного, синего и немного зеленого. Есть количественные характеристики, которые могут все это связать. Мы провели соответствующие эксперименты, затем подобрали оптимальное количество светодиодов и спроектировали светильник. При этом он еще и выполняет функцию, которую производители облучателей чаще всего не рассматривают как необходимую. Например, основное отличие часто используемых в голландской технологии облучателей на основе натриевых ламп заключается в том, что такая лампа не может управлять ни спектром, ни потоком: разряд зажегся — и все, лампа горит в одном режиме. К тому же энергия там такая большая, что вы не можете эту лампу повесить ниже определенного уровня, иначе растение сгорит. А вот наши светодиодные светильники эту задачу решают проще: мы можем динамически управлять спектром. менять, варьировать спектральный состав, добавлять красного, синего.
— А зачем это нужно?
— Это необходимо для разных растений. Кроме того, возможность вариаций удобна для фермера. который таким образом может экономить электроэнергию. И еще мы используем так называемую автоматизацию работы облучательной установки в зависимости от состояния окружающей среды. Вот сегодня, например, светит солнце. Это означает. что у вас большая облученность и большой световой поток. Только тучка набежала— поток квантов света на порядок уменьшился. Наша интеллектуальная система позволяет в зависимости от изменения этого спектрального состава автоматически выстраивать освещение в теплице, регулировать его на большее или меньшее. При этом мы можем включать и добавлять только ту энергию, которая необходима. Соответственно, мы сберегаем необходимое количество энергии, не тратим ее зря.
— Не боитесь, что ваше ноу-хау продублируют другие производители?
— Об этом мы тоже подумали. Для того чтобы обладать уникальными правами на это изобретение, мы придумали некий колпак, который покроет светодиодный чип и преобразует синий спектр излучения в спектр, нужный растению, с необходимым количеством квантов. Подобный колпак воспроизвести сложнее— для этого надо знать технологию, а это не так просто. Наиболее подходящий материал для этого — люминесцентная керамика с определенными свойствами, которые знаем только мы.
— Получается, никаких специалистов к такой теплице приставлять не надо? Она сама все знает и умеет?
— Именно к этому мы стремимся. Но это еще не все проблемы, с которыми мы столкнулись. Вот представьте — светильник, а под ним расположен ряд огурцов. Но если повесить такой прибор над растением, то облучается лишь его макушка, а боковины — нет. Соответственно, листья недополучают света, они тянутся вверх, и в результате мы можем иметь не совсем «правильное» растение. Поэтому мы рассчитали все характеристики и повесили светильники таким образом, чтобы растение облучалось косыми лучами, то есть целиком. Мы получили равномерное облучение. Эту систему мы сейчас реализуем в нашей «умной» теплице.
Следующий этап— беспилотные технологии. Это использование роботов для того, чтобы обслуживать теплицы — например, посадить, опылить, собрать урожай, полностью уходя от ручного труда. У нас уже есть капельная система полива — людям приходить с лейками, шлангами и поливать уже не надо. Ну а тут можно решить сразу все проблемы. Робот не проспит, не перепутает.
— Не украдет... Какими же будут эти роботы?
— Кто-то предлагал сделать руки, которые бы втягивались и вытягивались на нужную длину. Но это ж сколько нужно таких рук! Это дорого и сложно. Я решил, что это будут беспилотники, которых мы уже сконструировали и запускаем опытный полигон для их испытаний. Они будут летать по теплице и выполнять поставленные перед ними задачи: сажать растения, опылять их, собирать урожай.
— Знаю, с такой же целью некоторые фермеры покупают шмелей. Те же биороботы, только урожай не собирают.
— Да, клубничники покупают семью шмелей. Это стоит около 30 тыс. рублей. Включают инфракрасное излучение, чтобы они начинали летать. Они летают, опыляют, а потом, когда по весне пригревает настоящее солнышко, находят щелочку — и все, ваши 30 тыс. улетают. Вот я и подумал — почему бы нам не сделать таких же беспилотников, но чтобы они никуда не улетели? Думаю, эта идея не так уж сложна в реализации. Приезжайте зимой — покажем.
— Что вы надеетесь увидеть в результате?
— Мы надеемся значительно повысить урожайность, при этом сократив расходы электроэнергии. Сейчас мы постепенно идем к тому, чтобы такие мини-теплицы пришли в каждый дом.
— Это как же? Сделать домашние фермы?
— Да, мы уже несколько лет проводим эксперименты с фитотронами — это такие шкафчики, в которых реализованы те же тепличные условия для производства растений. Городская ферма — это фитотрон у вас на кухне, где вы можете выращивать экологически чистые овощи и фрукты для своего стола. Вы сами управляете этим процессом. Более того, сейчас мы пошли дальше и начали задумываться о том, чтобы сделать такое питание максимально полезным и сбалансированным. Ведь каждый из нас индивидуален, и потребность в различных минералах, микроэлементах и витаминах у всех разная, причем она может меняться каждый день. Как определить, что вам нужно именно сейчас? Очень просто— по волосу из вашей головы. Волос — это уникальный элемент нашего организма, в котором накапливаются потребляемые нами микроэлементы в том или ином количестве. Он выдергивается, анализируется по элементному составу, а затем выращивается такое растение, которое нужно вам в данный момент.
— Это потрясающе! Но ведь вы не биологи, а инженеры.
— Как раз сейчас мы подходим к тому, чтобы совместно с биологами, биофизиками в рамках РНФ начать реализовывать эту идею.
— Мы обсуждаем множество важных прикладных применений ваших разработок. Есть ли здесь фундаментальная научная ценность?
— Безусловно. Она, конечно, в большей степени связана с биологией, с агротехнологиями. Хотя и для нас, для физиков, она тоже есть. Мы провели исследования, которые показали, что при формировании растений очень важно изучение их морфологии. Это внутренняя структура растений, которая зависит как раз от спектрального состава светового потока. А это означает, что если мы едим клубнику, которая выросла в теплице, то, скорее всего, она другой морфологии, нежели та, которая выросла у вас на грядке, под солнцем. Это фундаментальная задача — понять разницу. А затем, владея этими знаниями, с точки зрения фундаментальных исследований определить, как облучать, каким составом, какой спектр необходим для какого растения.
— Найти идеальные параметры для каждого растения?
— Да, условно говоря: нажал кнопку— получил оптимальный результат при минимуме затрат. Мы сейчас работаем командой, где есть и приглашенные специалисты, в том числе иностранные. Методами так называемой римановской спектроскопии они анализируют внутреннюю структуру растений, которые мы наполняем с помощью света и питательной среды. Наши коллеги из Томского государственного университета помогают решать вопросы с биологической и почвоведческой сторон, а из Кемеровского сельскохозяйственного института— агротехнические. Энергетики занимаются газом, электричеством, солнечной электроэнергией, биогазовыми установками. У нас будут даже животноводы и растениеводы. Это мощная научно-практическая площадка, и наша кооперация должна дать важные результаты.
■
Беседовала Наталия Лескова
