Электричество из растений

С недавнего времени в сельском хозяйстве замечена тенденция развития и внедрения современных технологий. Но проблема внедрения до сих пор остается актуальной. Так если инновации возникают повсеместно, то к их внедрению относятся достаточно скептически. Только малое количество инноваций получают финансирование и внедряются в производственный процесс. Проблема внедрения заключается в финансировании и скептицизме владельцев малого сельскохозяйственного бизнеса. Возникает проблема в создании эффективного инструмента, повышающего эффективность сельскохозяйственного производства, не требующий больших капиталовложений.

В какой-то степени инновации легко проникают в тепличное хозяйство, так как способы выращивания значительно отличаются от полевых. К таким инновациям можно отнести, например, выращивание тепличных культур в высококонцентрированном полезными веществами жидком субстрате, который находится в специальном трубопроводе. Корни растения поглощают из субстрата полезные вещества в течении всего жизненного цикла и не испытывают недостатка в веществах необходимых для полноценной жизнедеятельности растения. Также применяются особенности освещения, которое предоставляет большое количество ультрафиолета для растений. Адаптируемый климат под любой сорт культуры, уже достаточно давно используется в больших тепличных хозяйствах. Все новшества в значительной степени повысили урожайность и получили признание в тепличном хозяйстве.

Полезность всех внешних искусственных воздействий таких как ультрафиолет, тепло, субстрат, легко объяснимы с точки зрения биофизических, физико-химических и физиологических механизмов растений. Но оборудование, позволяющее искусственно повысить темпы роста растений требует значительных финансовых затрат, на что не может пойти любой тепличный комплекс, в особенности из ниши малого бизнеса. Отсюда исходит проблема, которую можно решить путем создания устройства электростимуляции растений, которое не потребует больших капиталовложений и будет доступна для малого бизнеса.

В основе существующих методов обработки, использующих энергию электромагнитного поля, лежат магнитная или электрическая составляющая последнего, а также комплексные способы воздействия электромагнитного поля в сочетании с термическим нагревом, изменением давления и т.д. .

Известны эксперименты положительной электростимуляции сельскохозяйственных растений.

Известно, что обработка черенков перед посадкой путем их введения в находящийся под действием переменного магнитного поля субстрат в виде размешенных в емкости из немагнитного материала гранул из ферромагнитного материала и раствора питательных веществ приводила к улучшению укоренения черенков по сравнению с контролем .

Изменение общего электромагнитного фона также существенным образом сказывается на растениях. В настоящее время достоверно установлено, что экранирование растений от геомагнитного поля существенно изменяет ряд физиологических и биохимических показателей. Так, при ослаблении геомагнитного поля в 102 раза происходит торможение роста проростков семян гороха, чечевицы и льна. Установлено также, что при неспокойной магнитной обстановке в первые сутки после замачивания семян льна имеет место более быстрый их ”старт” в обычных условиях, чем при экранировании геомагнитного поля .

На растительные объекты оказывает влияние также электрическая компонента электромагнитного поля. Так, в опытах с тепличными растениями установлено положительное влияние электрических полей, создаваемых электродами, на рост, урожайность и сроки их созревания .

Воздействие электрического тока (2, 4 и 7 мкА) на каллюс эмбриогенной кукурузы в течение 1 мес оказывало существенное влияние на рост и формирование побегов корней. Ток 2 мкА стимулировал все процессы, особенно стеблевой морфогенез: число апексов возрастало после обработки в 19 раз, значительно увеличивалось число апексов, резвившихся в побеги, митотическая активность клеток возрастала в 4 раза. Ток 4 мкА оказывал слабое стимулирующее действие, а ток 7 мкА ингибировал рост каллюса и морфогенез .

Используется сочетание обработки семян раствором микроэлементов и электромагнитным полем напряженностью 1*106 – 1,5*108 А/м, которое накладывают импульсами с одновременным воздействием гидравлического удара энергией 1,5–2,5 кДж при частоте 5–6 импульсов в минуту .

Нами была выдвинута гипотеза, объясняющая положительную электростимуляцию растений.

В соответствии с нашей гипотезой, водные каналы растительных клеток раскрываются под воздействием электростимуляции в независимости от защитных и регулировочных механизмов. В результате полезные вещества вместе с водой закачиваются в клетки корней растений в огромных количествах. В результате митохондрии получают огромный ресурс веществ, которые используются для получения большого количества АТФ, а значит и больших запасов энергии, в результате клетки ускоряют биохимические, физико-химические и физиологические процессы, из-за отсутствия нехватки энергии и постоянной генерации АТФ и растения развиваются значительно быстрее.

Известно, что внутри клетки присутствует градиент заряда в несколько млВ. А значит для электростимуляции эффективней будет выбрать токи, исчисляемые в млА.

Частичное и косвенное подтверждение своей гипотезы мы получили из научных статей.

Электрическое поле способно улучшать работу водного канала, особенно в стрессовых условиях. Аквапорины функционируют благодаря наличию электрических зарядов. Если имеются положительные заряды, скопление которых обусловлено протонным барьером, к ним будут стремиться отрицательно заряженные ионы, которые, не имея возможности попасть в канал, будут скапливаться на проходах к нему и также препятствовать свободному продвижению диполей молекул воды. Направленное вдоль ризосферы поле будет оттягивать ионы от водного канала и обеспечивать поток воды в корневые клетки. Описанный механизм влияния протонного барьера на транспорт воды по водному каналу обнаруживает в системе водно-солевого обмена растений недостающее до сих пор звено: прямое, непосредственное влияние электрических зарядов в клетке на поступление в протопласт электрически нейтральных молекул воды .

Объяснить улучшение посевных качеств семян при их предпосевной обработке физическими факторами можно тем, что у семян возрастает интенсивность водопоглощения, что приводит к сокращению продолжительности микрофенологических фазтпрорастания семян. Так семена различных культуртнаклевываются на 3-4 часа раньше, чем семена контрольных вариантов. Под действием сил электрического поля происходит деформация клеточных мембран, приводящая к изменению их проницаемости, как для воды, так и ионов. Кроме этого импульсное электрическое поле обладает, наряду со стимулирующим и выраженным бактерицидным воздействием на патогенную микофлору, вызывающую различные болезни семян сельскохозяйственных культур .

Поскольку вода является проводником электрического тока и одновременно питательной средой для клеток, заполняем ею пространство между обкладками конденсатора. Молекулы воды представляют собой диполи. Под действием разности потенциалов они ускоренно накачиваются в клетку с обеих сторон через поры мембраны (диаметр пор 0,4 нм, диаметр молекулы воды 0,24 нм). Попав в клетку и подвергаясь в ней ионизации направленными электронами, эта вода служит дополнительным источником дыхания клетки (при естественном проникании ее в клетку), а также дополнительным источником образования АТФ. В клетке происходят усиленные разностью потенциалов на электродах ионный и водный обмены, а также увеличиваются запасы энергии клетки–АТФ .

Мы наметили испытания на 20.11.2016. Будет собрана установка, вырабатывающая 0,0001 – 0,1 млА. В качестве сельскохозяйственной тепличной культуры выбран томат. Семена разделят на три группы 0,0001; 0,001; 0,01 мА. Семена томата помещаются в калиево-натриевый субстрат, через который пропускается низкоамперный ток. В результате семена окажутся под воздействием низкоамперного тока, что создаст градиент зарядов внутри и снаружи семени, в результате поры семени расширятся и в семена начнет активно накачиваться субстрат необходимый для быстрого прорастания семени. Данная стимуляция проводится каждый день по два раза в течении 10, 20, 30 минут соответственно. После проращивания семени корень оставляют в субстрате. Электростимуляцию проводят три раза в день по 30, 60, 90 минут соответственно.

Результаты эксперимента будут опубликованы после обработки и систематизации данных.

В результате будет разработана установка для тепличных хозяйств способная повысить урожайность томата и не требующая больших капиталовложений. Так же будет предпринята попытка доказать высказанную гипотезу.

Бабак Парвиц (справа), его коллега Брайан Отис (Brian Otis, в центре) и студент Карлтон Хаймс (слева) подключают свою микросхему к источнику энергии — деревуЭта крохотная микросхема накапливает энергию, пока ее не будет достаточно для работы миниатюрного прибора — скажем, несложного сенсора

«Насколько я знаю, нам первым удалось запитать устройство, просто воткнув в ствол пару электродов», — радуется профессор Babak Parviz).

В прошлом году «древесное электричество» было тщательно изучено и исследовано другой группой ученых, которые показали, что в дереве создается напряжение в 200 мВ — если поместить один электрод в ствол, а второй — в грунт прямо возле него. Тогда же данная технология получения энергии была запатентована, и сегодня молодая компания ведет разработку микросхем, которые могли бы обходиться этим количеством.

По сходному пути пошла и группа Парвица, которая уже преуспела в создании подходящей микросхемы. Подопечный профессора, студент Карлтон Хаймс (Carlton Himes) провел целое лето в поисках самых подходящих для этой цели деревьев — оказалось, что обычный крупнолистный клен (лист которого изображен на канадском флаге) создает очень стабильное напряжение величиной в несколько сотен милливольт.

Лишь затем ученые перешли к созданию устройства, которому бы этой энергии хватало. Для начало они сконструировали подходящий повышающий преобразователь, систему, которая на входе получает ток низкого напряжения, и «накапливает» его, на выходе создавая напряжение более высокое. Созданный преобразователь способен работать с очень малым исходным напряжением — 20 мВ — и выдавать в итоге 1,1 В, чего вполне достаточно для работы некоторых энергоэффективных датчиков.

Технологии

Микросхема, в основе которой лежит этот преобразователь, имеет размер около 130 нм и потребляет каких-то 10 нВт (т.е., одну стомиллионную ватта) энергии. «Обычные электронные устройства неспособны работать на том низком уровне энергии, который можно получить из дерева, — поясняет Парвиц, — У нас же «наномасштаб» касается не только размеров, но и энергопотребления».

Основную часть времени микросхема проводит в энергосберегающем «спящем» состоянии, бодрствующими в ней остаются только встроенные часы, потребляющие лишь 1 нВт (для сравнения: обычные современные наручные часы требуют в тысячи раз больше). Часы эти один раз в несколько секунд создают электрический импульс, который используется для «пробуждения» всей системы.

Конечно, «древесное электричество» никогда не заменит полноценные мощные источники энергии. Однако и недооценивать его не стоит. С развитием современных нанотехнологий и энергосберегающих решений самые разные миниатюрные системы можно будет годами питать, просто воткнув их в ствол — ведя мониторинг состояния воздуха, или, скажем, оснастив леса противопожарными датчиками.

По пресс-релизу

Электричество из растений

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *