Овощи из инкубатора MIT - решение мирового продуктового кризиса?

Даже среди своих весьма необычных коллег - творческих гениев и слегка сумасшедших ученых Медиа-лаборатории Технологического института Массачусетса (MIT), который расположен недалеко от Бостона (США), где с потолка свисают гигантские надувные акулы, столы нередко украшают робо-головы, и худые, коротко стриженые ученые в гавайских рубашках с восхищением обсуждают загадочные формулы, нарисованные мелом на доске, - Салеб Харпер кажется очень необычным человеком. В то время как его соратники по научному поиску создают искусственное: искусственный интеллект, «умные» протезы, складные машины нового поколения и медицинские приборы, отображающие нервную систему человека в 3D, Харпер работает над натуральным – он выращивает капусту. За прошлый год он превратил небольшое лобби Института на пятом этаже (за дверями своей лаборатории), в супертехнологичный сад, который словно перенесли в жизнь из научно-фантастического фильма. Несколько сортов брокколи, помидоры и базилик растут здесь, кажется, прямо в воздухе, залитые синим и красным неоновым светом светодиодных ламп; и их белые корни делают их похожими на медуз. Растения обвили стеклянную стену длиной в 7 и высотой 2.5 метра так, что кажется, словно они оплели офисное здание. Нетрудно догадаться, что, если дать волю Харперу и его коллегами, они в недалеком будущем могут превратить целый мегаполис в такой вот живой и съедобный садик.

«Я верю, что мы способны изменить мир и мировую продуктовую систему, - говорит Харпер, высокий и коренастый мужчина 34 лет, в синей рубашке и ковбойских сапогах. – Потенциал городского фермерства огромен. И это не пустые слова». «Городское фермерство» в последние годы переросло фазу «смотрите, это действительно возможно» (во время которой были проведены эксперименты по выращиванию салата и овощей на городских крышах и в пустующих городских пространствах) и стало настоящей волной инноваций, которую запустили мыслители, твердо стоящие на своих ногах – такие, как Харпер. Год назад он стал основателем проекта CityFARM («Городская ферма») и теперь Харпер исследует, как с помощью высоких технологий оптимизировать урожайность овощей. При этом используются сенсорные системы, отслеживающие потребность растений в воде и удобрениях, и питающих всходы светом оптимальной волновой частоты: диоды в ответ на нужды растения посылают свет, который не только дает растениям жизнь, но и определяет их вкусовые качества. Харпер мечтает о том, что такие плантации в будущем займут свое место на крышах зданий – в реальных городах, где живет и работает множество людей.  

Инновации, которые предлагает внедрить Харпер, могут сократить себестоимость сельского хозяйства и снизить его нагрузку на экологию. Он утверждает, что измеряя и контролируя освещенность, полив и подпитку удобрений по его методу, можно сократить потребление воды на 98%, ускорить рост овощей в 4 раза, полностью избавиться от применения химических удобрений и пестицидов, удвоить пищевую ценность овощей и улучшить их вкус.   

Производство еды представляет серьезную проблему для экологии. Перед тем, как оказаться у нас на столе, она обычно совершает путь в тысячи километров. Кевин Фредияни, глава экологического фермерского хозяйства в Биктон-колледже, сельскохозяйственном учебном заведении в Девоне (Великобритания), подсчитал, что Соединенное Королевство импортирует 90% овощей и фруктов из 24 стран мира (в том числе 23% этого количества производится в Англии). Оказывается, доставка кочана капусты, выращенной в Испании и доставленной фурой в Великобританию, приведет к эмиссии примерно 1.5 кг вредных карбоновых выбросов. Если же вырастить этот кочан в Великобритании, в парнике,  – цифра будет еще больше: около 1.8 кг выбросов. «У нас просто недостаточно света, и стекло очень плохо держит тепло», - отмечает Фредияни. Но если использовать особое утепленное здание с искусственным освещением, можно сократить эмиссии до 0.25 кг. Фредияни знает, о чем говорит: ранее он руководил садами и овощными плантациями в Зоопарке Пайнгтона, где в 2008 году предложил вертикальный способ посадки, позволяющий эффективнее выращивать корма для животных. Если удастся поставить такие методы на поток, мы получим более дешевую, более свежую и более питательную еду, сможем сократить выбросы парниковых газов на миллионы тонн ежегодно, в том числе в той части производства, которая касается упаковки, транспортировки и сортировки сельхозпродукции, что в сумме дает в 4 раза больше вредных выбросов, чем само выращивание. Так можно заметно отодвинуть приближение надвигающегося мирового продуктового кризиса.

Специалисты ООН подсчитали, что к 2050 году население планеты вырастет на 4.5 млрд, и 80% жителей Земли будут жить в городах. Уже сегодня используется 80% земель, пригодных для сельского хозяйства, а цены на продукцию повышаются в связи с участившимися засухами и наводнениями. В таких условиях ученые, занимающиеся инновациями в области сельского хозяйства, обратили свой взгляд на города как возможное решение проблемы. Ведь овощи можно выращивать где угодно, даже на небоскребах или в заброшенных бомбоубежищах.

Число корпораций, которые начинают использовать инновационные парниковые технологии выращивания овощей и подпитку их светодиодами, включает, например, такого гиганта, как PhilipsElectronics, где существует собственный отдел по сельскохозяйственным светодиодам. Ученые, работающие там, создают новые типы упаковочных линий и систем менеджмента, исследуют возможности технологий создания микроклимата, аэропоники*, аквапоники**, гидропоники***, систем сбора дождевой воды и даже микротурбин, которые позволяют использовать энергию бурь. Но до сих пор никому не удалось сделать подобные инновации окупаемыми. Труднее всего с потреблением энергии. Наделавшая большого шума в научной среде гидропонная система VertiCorp (Ванкувер), которая была названа журналом TIME«Открытием года-2012», потерпела крах, т.к. потребляла слишком много электричества.  «В этой области много лжи и пустых обещаний, - говорит Харпер, сын булочника, выросший на ферме в Техасе. – Это привело к большому объему неоправданных инвестиций и краху многих больших и мелких компаний».

Харпер утверждает, что благодаря использованию его разработок, удастся сократить потребление электроэнергии на 80%. В отличие от технологий промышленного сельского хозяйства, защищенных патентами, его проект открытый, и его инновациями может воспользоваться любой желающий. Прецедент такой уже есть, так было с разработанными MIT лазерными резаками и трехмерными принтерами - Институт производит их и предлагает в дар лабораториям по всем миру. «Они создали производственную сеть, которую я вижу моделью нашего движения по выращиванию овощей», - говорит Харпер.

… Погожим июньским днем Харпер испытывает свою новую установку. Он держит в руках кусок картона, взятый из детского игрушечного набора. Перед ним – короб с капустным салатом, освещенным синими и красными светодиодами. За посадками «следит» видеокамера отслеживания движений, позаимствованная Харпером из PlayStation. Он закрывает камеру картонным листом – диоды становятся ярче. «Мы можем учитывать данные о погоде и создать алгоритм компенсации диодного освещения, - говорит ученый, – Но система не сможет предугадать дождливую или пасмурную погоду. Нам нужна несколько более интерактивная среда».  

Харпер собрал такую модель из алюминиевых реек и плексигласовых панелей  –  некое подобие стерильной операционной. Внутри этого стеклянного блока выше человеческого роста живут 50 растений, причем корни некоторых свисают и автоматически орошаются питательными веществами.

Сами по себе такие методы не уникальны: небольшие парниковые хозяйства пользуются ими уже несколько лет.  Инновация заключается именно в использовании диодов синего и красного света, который создает фотосинтез, а также того уровня контроля, которого добился Харпер. Парник буквально нашпигован различными сенсорами, которые считывают атмосферные условия и посылают данные в компьютер. «Со временем этот парник станет еще более интеллектуальным», - заверяет Харпер.

Он использует систему меток, которыми наделено каждое растение, чтобы отслеживать рост каждого насаждения. «На сегодняшний день никто еще не делал подобного, - утверждает Харпер. – Было много ложных сообщений о подобных экспериментах, но ни одно из них не прошло проверку. В научной среде сейчас много информации о подобных исследованиях, но никто не знает наверняка, увенчались ли они успехом, и вообще, проводились ли в действительности».

Его цель – создать линию производства овощей по требованию, с доставкой, как на Amazon.com. Вместо того, чтобы собирать овощи зелеными ( например, как летом в Голландии или зимой в Испании собирают зеленые помидоры – бедные питательными веществами и безвкусные), потом отправлять их за сотни километров, обрабатывать газом, чтобы придать видимость зрелости – можно заказать свои помидоры и тут же получить действительно спелыми и свежими, с грядки, и чуть ли не на соседней улице. «Доставка будет безотлагательной, - говорит Харпер. – Никакой потери вкуса или питательных веществ в процессе!»

На сегодняшний день наибольшая нерешённая Харпером проблема – в источниках света. Он использует как солнечный свет из окна, так и контролируемые по Интернету светодиоды, произведенные швейцарским стартапом Heliospectra. Если разместить овощные плантации на офисных здания, как предполагает сделать Харпер, то достаточно будет энергии Солнца. «Мои насаждения используют только 10% светового спектра, остальное просто согревает комнату – это как парниковый эффект, - объясняет Харпер. – Так что мне приходится специально охлаждать парник, что требует большого количества энергии и рушит самоокупаемость. Но вот риторический вопрос: сколько стоит солнечный свет?»

В традиционных «солнечных» парниках, двери приходится открывать, чтобы охладить помещение и снизить накапливаемую влажность - так внутрь попадают незваные гости – насекомые и грибки. Научные коллективы таких корпораций, как Heliospectraи Philipsсчитают, что использовать Солнце – устаревший подход. На самом же деле, наибольший научный прорыв в области сельского хозяйства делают сейчас именно осветительные компании. «Гелиоспектра» не только поставляет лампы для парников, но и проводит академические исследования в области методов ускорения прироста биомассы, ускорения цветения и улучшения вкусовых качеств овощей. NASAиспользует лампы, которые они же производят, в своем эксперименте по модулированию «марсианской космической базы» на Гавайях. Освещение здесь создают панели с диодами, обладающие собственным встроенным компьютером. «Вы можете послать растению сигнал с запросом того, как оно себя чувствует, и в ответ оно посылает информацию о том, какую часть спектра оно использует и как питается, - сообщает один из руководителей «Гелиосферы» Кристофер Стиле, из Гётеборга. – Например, синий свет не оптимален для роста базилика, и неблагоприятно сказывается на его вкусе». Также Солнце не может освещать овощи совершенно равномерно –  это связано с появлением облаков и вращением Земли. «Мы можем вырастить овощи без темных бочков и пятен, которые отлично выглядят и хороши на вкус», - добавляет генеральный директор компании Стефан Хиллберг.

Такие системы освещения продаются по цене от 4400 фунтов стерлингов, то есть совсем не дешево, но спрос на рынке очень велик. В наши дни в парниках по всему миру насчитывается около 55 миллионов ламп. «Заменять лампы приходится каждые 1-5 лет,  – говорит Хиллберг, – Это немалые деньги».

Растения предпочитают диоды солнечному свету. Так как диоды можно разместить прямо над растением, ему не приходится тратить лишнюю энергию на создание стеблей, оно растет четко вверх и листовая часть получается гуще. В хозяйстве GreenSenseFarms, крупнейшей закрытой вертикальной ферме в мире, которая находится в 50 км от Чикаго, целых 7000 ламп размещены в двух осветительных залах. «Салат, выращенный здесь, обладает более ярким вкусом, он более хрустящий, - утверждает генеральный директор компании Роберт Коланжело. – Мы освещаем каждую грядку 10 лампами, у нас 840 грядок. Мы получаем по 150 кочанов салата с грядки каждые 30 дней».

Грядки расположены на ферме вертикально, и достигают 7.6 м в высоту. На ферме «Грин Сенс» используется технология так называемой «гидро-нутриентной пленки». На практике это означает, что обогащенная питательными веществами вода просачивается сквозь «почву» - измельченные кокосовые скорлупки, которые здесь используют вместо торфа, потому что это возобновляемый ресурс. «Так как грядки расположены вертикально, овощи растут как минимум в десять раз гуще и приносят урожай в 25-30 раз больший, чем в нормальных, горизонтальных условиях», – сообщает Коланжело. «Это хорошо для Земли, потому что нет никого выброса пестицидов, к тому же мы используем вторичную воду и вторичные удобрения». «Она использует гораздо меньше энергии (чем обычная)», - заявляет Коланжело, говоря о своей овощной фабрике, созданной совместно с Philipsи являющейся самой крупной на планете.

Коланжело считает, что вскоре сельскохозяйственная промышленность будет развиваться всего по двум направлениям: во-первых, большие, открытые пространства, засаженные зерновыми, такими как пшеница и кукуруза, которые можно хранить месяцы и не спеша развозить по всему миру – эти фермы расположены вдали от городов. Во-вторых, вертикальные фермы, которые будут выращивать дорогие, скоропортящиеся овощи, такие как помидоры, огурцы и зелень. Ожидается, что годовой оборот его фермы, открывшейся в апреле этого года, достигнет $2-3 млн. Коланжело уже продает свою фирменную продукцию в рестораны и дистрибьюторский центр WholeFood (расположенный всего в 30 минутах езды отсюда), который доставляет свежие овощи в 48 магазинов в 8 штатах США.

«Следующий шаг – автоматизация», - говорит Коланжело. Так как грядки расположены вертикально, директор предприятия считает, что можно будет использовать робототехнику и сенсоры, чтобы определять, какие овощи созрели, собирать их, и замещать новым саженцами. «Это будет как Детройт с его автоматизированными заводами, на которых машины собирают роботы. Легковые автомобили и грузовики собираются из частей по заказу от дилеров, а не серийно. У нас это будет называться «выращивание на заказ». Мы будем собирать овощи, когда они нужны магазину».

Еще более невероятная инновация в области сельского хозяйства – «фермы контейнеров для доставки». Они представляют из себя вертикальные короба для выращивания, оснащенные системой подогрева, орошения и освещения диодными лампами. Эти контейнеры, удобные в доставке и хранении, можно складировать по четыре штуки друг на друга и размещать прямо снаружи магазинов и ресторанов для обеспечения их свежими овощами.

Несколько компаний уже заняли эту нишу. Во Флориде работает Growtainer («Контейнер роста») – компания, которая производит как целые фермы, так и локальные решения для ресторанов и школ (где они используются как наглядные пособия по биологии). «Я вложил в это миллион долларов», - говорит гендиректор «Гроутейнера» Глен Берман, который на протяжении 40 лет руководил выращиванием орхидей во Флориде, Таиланде и Вьетнаме, а на сегодня является крупнейшим дистрибьютором живых растений в США и Европе. «Мы довели до совершенства системы орошения и освещения, - утверждает он. – Мы выращиваем лучше, чем сама природа».

Уже сейчас в его активе десятки дистрибьюторских центров, многие из которых работают по системе «владелец\потребитель»: они продают вам контейнер, а вы выращиваете овощи сами. На сайте Бермана утверждается даже, что такие контейнеры – отличная «живая реклама», на которой можно разместить логотипы и другую информацию. Иные компании работают по другому принципу – они продают контейнеры с собственным логотипом, в которых уже растут овощи. К сожалению, пока обе схемы дороги для потребителя.

«Микрофермы имеют обратный расчет окупаемости по площади», –  говорит Пол Лайтфут, гендиректор Bright Farms. «Брайт Фармс» производит маленькие парники, которые можно поставить рядом с супермаркетом, таким образом сокращая время и стоимость доставки. «Если вам надо нагреть помещение – дешевле отопить десять квадратных километров, чем сто метров».

Некоторые инноваторы в сфере сельского хозяйства – выходцы не из научной среды, а из сферы бизнеса. Такова и «Брайт Фармс», которая открылась на основе некоммерческого проекта 2007 года ScienceBarge («Научная баржа»), прототипа инновационной городской фермы, которая стояла на якоре в реке Хадсон (Нью-Йорк). Именно тогда супермаркеты по всему миру отметили возрастающий спрос на свежую, выращенную неподалеку от магазина овощную продукцию.

В связи с тем, что 98% салата, который продается в супермаркетах США, выращивают в Калифорнии летом и в Аризоне зимой, его себестоимость (в которую закладывается стоимость воды, дорогой на западе страны) сравнительно высока. В Пенсильвании «Брайт Фармс» заключили контракт с местным супермаркетом, получили налоговую льготу за создание рабочих мест в регионе и выкупили ферму на 120 гектаров. Эта ферма, которая использует систему забора дождевой воды с крыши и применяет вертикальные конфигурации, как у Салеба Харпера, ежегодно продает под своей маркой зелени на 2 миллиона долларов – в супермаркеты в Нью-Йорке и близлежащую Филадельфию.

«Мы предлагаем альтернативу более дорогой и не столь свежей зелени с Западного побережья, - говорит Лайтфут. – Скоропортящуюся зелень очень дорого возить через всю страну. Так что это наша возможность внедрить лучший, более свежий продукт. Нам не приходится тратиться на далекую доставку. Наши основные ценности лежат вне сферы технологий. Наша инновация – сама бизнес-модель. Мы готовы внедрять любые технологии, которые позволят нам добиваться результата».

Лайтфут считает, что контейнерные фермы так и не смогут закрепиться в больших супермаркетах из-за не окупаемости. «Есть несколько реальных ниш – например, дорогая зелень для избранных ресторанов, –  говорит Лайтфут. – Но это не сработает при таких оборотах, с которыми работают я. Хотя такие контейнеры можно, например, забросить на военную базу морских пехотинцев в Афганистан».

И всё-таки инновации в сельском хозяйстве приносят известность и доходы. Это становится очевидно, если взглянуть на расположенную в 33 метрах под улицами Северного Кэпхема (район Лондона) ферму. Здесь, в бывшем бомбоубежище времен Первой мировой войны, предприниматель Стивен Дринг с партнерами, собрав 1 млн. фунтов стерлингов на конверсию невостребованных городских пространств, создал передовое фермерское хозяйство, экологически чистое и прибыльное, и успешно выращивает салат и другую зелень.

Его компания, ZeroCarbonFood (ZCF, «Пища нулевого выброса»), выращивает зелень в вертикальных стойках, используя «приливную» систему: вода омывает растущую зелень и затем собирается (обогащенная питательными веществами), чтобы быть использованной вновь. Зелень посажена в искусственную почву, сделанную из вторично использованных ковров из Олимпийской деревни в Стратфорде. Используемое для освещения электричество приходит от небольших микро-гидроэлектрических турбин. «У нас в Лондоне много осадков, - говорит Дринг. – Так что мы разместили турбины в системе дождевых стоков – они и питают нас энергией». Дринг также работает над решением одной из главных проблем вертикального выращивания – аккумуляции излишнего тепла. «Мы исследуем, как можно удалять тепло и превращать его в электроэнергию, а также как использоваться двуокись углерода – она действует на растения как стероиды».

В восточной Японии, которая серьезно пострадала от землетрясения и цунами 2001 года, известный специалист по растениям превратил бывшую фабрику полупроводников Sonyв вторую по величине в мире крытую ферму. Имея площадь 2300 м², ферма освещена 17500 электродами с низким потреблением энергии (производства GeneralElectric), и производит 10000 кочанов зелени в день. Компания, создавшая эту ферму – Mirai («Мирай» по-японски значит «будущее») – уже работает в сотрудничестве с инженерами «Дженерал Электрик» над  тем, чтобы создать «фабрику по выращиванию» в Гонконге и России. Шигехару Шимамура, который стоит за созданием этого проекта, так сформулировал свои планы на будущее: «Наконец-то мы готовы начать индустриализацию сельского хозяйства».

В сельскохозяйственном сектора науки сейчас нет недостатка в деньгах, это можно наблюдать на примере роста числа инноваций, начиная от рассчитанных на домашнее применение (на Kickstarter масса интересных проектов, например Niwa, позволяющий выращивать помидоры дома в гидропонной установке, которая управляется через смартфон), заканчивая глобальными. Так, экономический гигант SVGPartnersиз Кремниевой долины, объединил усилия с Forbes и собирается провести в следующем году международную конференцию по инновациям в сельском хозяйстве. Но правда в том, что нужно достаточно много времени – десятилетие или больше – чтобы инновационное сельское хозяйство отвоевало себе значимый кусок пирога мировой пищевой промышленности.

«Что действительно важно – у нас нет расходов на транспортировку, нет вредных выбросов и минимальный расход ресурсов” – говорит Харпер. Еще один интересный момент, который отметил ученый: однажды мы сможем превзойти региональные особенности выращивания овощной продукции. Рестораны будут выращивать овощи на свой вкус, прямо снаружи, в особых контейнерах. Меняя показатели освещенности, кислотно-щелочного баланса, минеральный состав воды или специально ограничивая орошение, они смогут контролировать вкус овощей – скажем, сделать салат слаще. Постепенно так можно создать собственные фирменные овощи. «Больше не будет такого, что «лучший виноград растет там-то и там-то, - говорит Харпер. – «Будет «лучший виноград выращивают на вот этой ферме в Бруклине. А лучший мангольд выращивают на вот той ферме в Бруклине. Это потрясающе».

Компания Googleсобирается внедрить находки Харпера и дизайн его микрофермы в кафетерии их генерального офиса в Маунтин Вью, чтобы кормить сотрудников свежей, полезной пищей. А еще с ним связалась компания по производству хлопка - с вопросом, можно ли выращивать хлопок в подобном инновационном парнике (Харпер не уверен – может быть, и можно). Проект Харпера - OpenAgProject – привлек заметное внимание в академической среде и со стороны государственных компаний Китая, Индии, Центральной Америки и ОАЭ. А другой партнер – ближе к дому – Государственный Университет штата Мичиган – собирается превратить бывший склад автомобилей площадью 4600 квадратных метров на окраине Детройта в нечто, что станет крупнейшей в мире «фабрикой по вертикальному выращиванию овощей». «Где лучше разбираются в автоматизации, как не в Детройте? – спрашивает Харпер. – И некоторые еще спрашивают, «что такое новая индустриальная революция»? Это она и есть!»

*Аэропоника  –  процесс выращивания растений в воздушной среде без использования почвы, при котором питательные вещества к корням растений доставляются в виде аэрозоля

***Гидропоника  –  беспочвенный способ выращивания растений. Растение
находится своей корневой системой не в земле, а во влажно-воздушной(водной, хорошо аэрируемой; твердой, но влаго- и воздухоемкой и достаточно пористой) среде, хорошо насыщенной минеральными веществами, за счет специальных растворов. Такая среда способствует хорошему насыщению кислородом корневища растения.

Материал -  перевод статьи, опубликованной в журнале WIRED в октябре этого года. Автор материала – Крис Крисман. http://www.wired.co.uk/magazine/archive/2014/10/features/server-farm/viewall