Раздел 10
Наука и инновации

Инновации в мире в 2020 году

Инновации в сельском хозяйстве

Инновации в сельском хозяйстве Мировое сельское хозяйство переживает ренессанс. Традиционно консервативная отрасль обратила на себя внимание инвесторов после успешно начатого технологического обновления, а также в связи с прогнозами изменения спроса на продукты питания к 2050 г., когда численность населения, как ожидается, вырастет до 9,6 млрд. человек. Среди ключевых новинок, внедряемых в отрасли:

• Использование датчиков. К примеру, датчики влажности воздуха и почвы в растениеводстве, датчики температуры и движения в животноводстве, телематические датчики за отслеживанием состояния сельхозоборудования, датчики содержания химических веществ, контролирующие внесение удобрений и определяющие состояние посевов;

• Новые генетически модифицированные культуры. С помощью генной инженерии удалось существенно ускорить преобразование сельскохозяйственными культурами солнечного света и углекислого газа в сахара и гидроокись углерода, повысить производительность кукурузы, сои и пшеницы почти вдвое. Несмотря на имеющиеся возражения противников ГМО, правительства Китая и некоторых европейских стран ослабили требования к продуктам питания, произведенным из ГМО;

• Синтетические продукты питания, выращенные в лабораторных условиях, решают проблемы дальнейшего расширения пахотных земель. Например, технология производства «Мяса из пробирки» уже заинтересовала крупнейших мировых производителей мяса;

• Робототехника. Уже сейчас сельхозпредприятия используют машины для автоматической дойки коров, дроны и специальную технику для сбора урожая. В будущем процессами вспашки полей, ухода за почвой, посадки, прополки, орошения, сбора урожая будут заниматься рои фермерских микророботов практически без вмешательства человека;

• Городские/гидропонные фермы из новых видов полимерной плёнки экономят воду и обеспечивают условия для здорового выращивания растений. Организация теплиц в городских условиях позволяет существенно снизить расходы на транспортировку продукции. В США и Европе уже существует целый ряд компаний, выращивающих подобным образом помидоры, арбузы, дыни, клубнику;

• Использование созданных штаммов микроорганизмов в почве. С помощью технологий генной инженерии учёные создают различные виды микроорганизмов, которые повышают производительность культур, а также увеличивают их стойкость к засухе, болезням и вредителям. Так, разработан модифицированный вид бактерий, способных извлекать азот из атмосферы и доставлять его растению в виде удобрения, а некоторые хлопкоробы используют микробное покрытие на семенах хлопка, что в результате повышает урожайность культуры на 10%;

• Блокчейн. Благодаря применению данной технологии в сельском хозяйстве можно будет получить полную информацию о производстве, транспортировке и хранении продуктов питания. Снижаются затраты на логистику и повышается скорость транспортировки (в т.ч. и трансграничной) скоропортящейся продукции;

• РНК-интерференция. Новая технология размещения рибонуклеиновых кислот (РНК) в листьях растения позволяет подавлять экспрессию генов на определенный срок и таким образом управляет его поведением, например, программирует растение в период роста на защиту от засухи и насекомых. Выращенные таким способом продукты не являются генно-модифицированными, так как технология использует только собственные гены растения;

• Применение данных со спутников позволяет получать больше сведений о погодных условиях и делать точный анализ состояния посевных площадей. Также она обеспечит фермерам возможность создавать карты посевных площадей без помощи картографа;

• Ферма в стиле Uber. Технология позволяет каждому покупателю приобрести экологически чистые овощи и фрукты по себестоимости напрямую от производителя через интернет-портал, без помощи и наценки посредников в виде супермаркетов. Потенциальный покупатель рассчитывает свою потребность в продуктах сельского хозяйства на год через онлайн-калькулятор, заказывает продукты, и онлайн-ферма находит ближайшего к нему фермера, который выращивает урожай под заказ. Покупатель через систему сможет следить за тем, как созревает и хранится урожай.

Источник: ekois.net

Примеры новых инновационных решений приведены ниже.

Технология сквозного автоматического опыления запатентована фирмой Edete Precision Technologies (Израиль). С цветущих растений механически собирается пыльца, которая хранится в холодильнике в течение года. При этом решается проблема десинхронизации различных сортов культурных растений. В следующем сезоне эта пыльца распределяется по насаждениям с помощью автоматизированного устройства – горизонтальной мачты с десятком «пушек». Опылитель может работать круглосуточно, при любых температурах, обеспечивая почти стопроцентное опыление всех открытых цветков. Результаты использования технологии на плодовых насаждениях обнадеживают.

Модульная роботизированная платформа мониторинга и контроля за состоянием культур, отбора проб почвы и точного нормирования и применения сельскохозяйственных химикатов разрабатывается компанией Yanmar в рамках проекта SMASH. Предусматривается также разработка систем управления многоцелевым роботом-манипулятором, программы интеграции датчиков, а также в создании программного обеспечения для управления мобильной базой системы.

Первый в мире флот автономных роботов планируется к запуску в продажу компанией The Small Robot Company (Великобритания). Первый тип автономного робота будет составлять карту сорняков, что облегчит обработку культур и позволит бороться с сорняками без гербицидов. Роботы также могут оставлять сорняки, которые являются источниками питания полезных насекомых или положительно влияют на качество почв, повышают биоразнообразие. Второй тип роботов электрическими импульсами уничтожает сорняки с точностью до 0,5 мм. Третий тип будет самостоятельно сеять культуры, и его система no-till поможет предотвратить эрозию почвы, уменьшив выбросы во время культивации до 90%.

Стала доступна автономная вертикальная система земледелия UPLIFT от SANANBIO, одного из крупнейших в мире поставщиков технологий для сити-фермерства. Система способна производить 6-8 тонн свежей зелени каждый день на ферме площадью всего 5000 м2. Производительность Uplift в 6 раз выше, а себестоимость – по рабочей силе и ресурсам – ниже, чем у обычных вертикальных ферм. Модернизированная система циркуляции воды позволяет растениям поглощать 60% воды, а оставшиеся 40% – перерабатывать. Uplift использует PlantKeeper, запатентованную систему управления внутрихозяйственными процессами, которая контролирует факторы окружающей среды, чтобы фермеры могли получать обновления в режиме реального времени.

Система капельного орошения для выращивания риса, которая поможет избавиться от затопленных полей и сделать выращивание риса более экологичным, создана компанией «Нетафим» (Израиль). Завершены экспериментальные исследования на рисовых полях площадью 1000 га от Европы до Южной Азии. Система позволяет достичь такой же урожайности, как и при затоплении.

Команда учёных из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (Германия) и Оксфордского университета (Великобритания) открыла, как можно сделать культуры более устойчивыми к засухе за счет изменения метаболизма. Суть нового метода – во внедрении в листья растений метаболизма крассулоидной кислоты (фотосинтеза CAM). Учёные определили, что главным фактором, ограничивающим эффективность использования воды, является вакуумная емкость листьев, и условия окружающей среды создают разные фазы цикла CAM. С помощью математического моделирования найден цикл, при котором на фиксацию углерода влияет митохондриальная изоцитратдегидрогеназа. Также установлено, что альтернативные циклы могут быть полезны при определенных условиях. Например, в более короткие дни с наименее экстремальными температурами. Открытие учёных позволит человечеству адаптироваться к всё более меняющимся в мире климатическим условиям при выращивании продовольственных культур.

Крошечная беспроводная управляемая камера, которая может быть помещена на насекомое, разработана исследователями из Университета Вашингтона (США). Она может применяться для труднодоступных мест и навигации.

Очистка и опреснение воды

Применение нового типа металл-органических каркасных структур (MOF) – PSP-MIL-53 – для улавливания соли и загрязняющих частиц в морской и соленой воде позволит смягчить проблему дефицита чистой питьевой воды, по мнению исследователей из Университета Монаша (Австралия). За полчаса губка способна снизить общее солесодержание в воде с 2233 частей на миллион до менее 500, что ниже уровня в 600 млн-1, который установила ВОЗ для питьевой воды. За день можно произвести почти 140 литров пресной воды на килограмм материала. Для очистки и повторного использования губку нужно поместить на 4 минуты на солнце. Данный метод опреснения работает быстрее, проще и не требует других энергозатрат, кроме солнечного света.

Губку из гидрогеля для опреснения до 1000 литров воды в день разработала команда из Национального университета Сингапура. Материал на основе цинка абсорбирует в четыре раза больше своего сухого веса. Для выведения влаги не требуется электричество. Материал можно использовать повторно до 1000 раз.

Альтернативная энергетика

Молекула, поглощающая энергию солнечного света и сохраняющая её в химических связях, разработана исследователями из Университета LiU (Линчёпинг, Швеция). Возможное долгосрочное использование молекулы заключается в эффективном улавливании солнечной энергии и хранении её для дальнейшего использования. Молекула принадлежит к группе, известной как «молекулярные фотопереключатели», которые всегда доступны в двух различных формах, изомерах, различающихся по своей химической структуре. Одной из возможных областей применения фотопереключателей является молекулярная электроника, в которой две формы молекулы имеют разную электропроводность. Большинство химических реакций начинается в состоянии, когда молекула имеет высокую энергию и затем переходит в молекулу с низкой энергией. В новом исследовании учёные поступили наоборот – молекула с низкой энергией становится молекулой с высокой энергией.

Над созданием новой экспериментальной установки, которая будет накапливать энергию гравитации путём подъёма и опускания тяжелых грузов весом от 500 до 5000 тонн работает Компания Gravitricity (Шотландия). За счет манипуляций с блоками можно получать от 1 до 20 МВт электроэнергии, а сама установка сможет функционировать до 50 лет без потери производительности. Она способна достичь максимальной мощности менее чем за секунду и затем высвобождать накопленную энергию в течение 15 минут или – в замедленном режиме – до 8 часов. Подъём груза осуществляется мощными электрическими лебедками, подключёнными к ВИЭ. Эффективность системы составляет 80-90% и она способна накапливать энергию с меньшими затратами по сравнению, к примеру, с огромной литий-ионной батареей Tesla в Австралии.

Электрический генератор, вырабатывающий электричество из падающих капель и других источников механической энергии, разработан учёными из Университета Твенте (Нидерланды) и Южно-китайского педагогического университета. Инженеры направили заряды в изолирующий слой конденсатора, применив новый метод на основе электросмачивания – модификации способности жидкостей вступать в контакт с твердой поверхностью под действием электрического тока. Электрический ток генерируется от воздействия капли, когда перераспределяются индуцированные противодействующие заряды на конденсаторе. Величина этого тока зависит от числа инжектированных зарядов. Используя композитные материалы высокой прочности, разработчики смогли значительно повысить этот показатель. КПД устройства составил почти 12%, а его эффективность не ухудшилась после 100 дней работы.

Простое устройство, расщепляющее воду и вырабатывающее водород, разработано учёными из Университета Райса (США). Разработка состоит из перовскитовых фотоэлементов, к которым подведены электроды из катализатора, запускающего электролиз воды. Когда солнечный свет попадает на элемент, он начинает вырабатывать электричество, которое питает катализатор, который, затем, расщепляет воду на кислород и водород. Газ пузырьками поднимается к поверхности, откуда его можно потом собирать. Производительность преобразования солнечного света в водород составляет высокий результат – около 6,7%. Фотоэлемент и электроды составляют единое целое: компоненты солнечного элемента заключены в полимерную оболочку, защищающую от повреждений и пропускающую солнечный свет, а электроды находятся на внешней стороне, где они могут расщеплять воду. Устройство можно просто бросить в воду там, где падают прямые солнечные лучи, и оставить на длительный срок для производства водорода.

Прорыв в разработке многослойных солнечных элементов объявлен командой учёных Университета Иллинойса (США). Разработан новый полупроводниковый материал на основе фосфида арсенида галлия, который дополняет характеристики кремния. Оба материала поглощают видимый свет, но фосфид арсенида галлия делает это, выделяя меньше тепла. В то же время кремний выигрывает у фосфида в преобразовании энергии из инфракрасной части солнечного спектра. Гибридные элементы значительно лучше защищены от дефектов, возникающих со временем, и вырабатывают в 1,5 раза больше электроэнергии, чем широко используемые кремниевые.

Гелиотермальная плёнка, крайне эффективно абсорбирующая солнечную энергию с минимальными потерями тепла и быстрым нагревом до 83°C в открытой среде, разработана австралийскими учёными. Помимо прототипа готова технология производства этого метаматериала. Графеновые плёнки обладают большим потенциалом в области преобразования гелиотермальной энергии в электричество и его хранения, опреснения морской воды, очистки воды от загрязнений, производстве излучателей света и фотодетекторов.

Устройство Air-gen – генератор, состоящий из плёнки с белковыми проводами, который получает электричество из воздуха – разработан в Массачусетском университете (США). Оно может работать месяцами, в т.ч. в темноте и в закрытых помещениях. В будущем такая технология сможет заряжать все домашние электроприборы, не включённые в сеть – электричество будет давать специальная краска, которой будут покрыты стены. Это возобновляемый, чистый и дешевый метод, который показывает лучшие результаты при относительной влажности 45%, но может работать даже в таких засушливых местах, как пустыня Сахара. Его преимущества перед солнечной или ветровой энергией в том, что он не зависит от погодных условий и работает даже в помещении. Для работы Air-gen нужна только тонкая плёнка из белковых нанопроводов толщиной менее 10 микрон. Основание плёнки состоит из электрода, а электрод меньшего размера частично покрывает плёнку сверху. Она впитывает водяную пыль из атмосферы.

Первая в мире система беспроводной передачи электроэнергии разработана компанией «EMROD». Технология задействует электромагнитные волны для безопасной и эффективной передачи энергии по беспроводной сети на дальние расстояния. Технология позволит сильно ускорить и удешевить процесс передачи энергии.

Проточные микро-ГЭС новой конструкции мощностью от 5 до 500 кВт разработаны компанией Vortex Micro Hydropower. Новые микро-ГЭС способны производить электричество даже в условиях очень низкого напора водного потока, не влияют на экологию, не вредят фауне и выдают электричество 24 часа в сутки. Если установить новую микро-ГЭС на реке с глубиной 1,5 м и скоростью потока 1,5 м3/с, то можно стабильно получать 15 кВт ч. На реке с большей глубиной и скоростью турбина Vortex способна выдать до 200 кВт ч. На одной реке можно поставить множество микро-ГЭС, которые практически никак не влияют на скорость потока и состояние фауны. В настоящее время проточные микро-ГЭС тестируются в Малайзии.

Технология превращения низкоэнергетического, невидимого для человека света в высокоэнергетический, который могут использовать фотоэлементы разработана учёными из двух австралийских и одного американского университетов. Предлагается использовать квантовые точки для абсорбции низкоэнергетического света и преобразования его в свет видимого спектра, из которого затем можно вырабатывать электрическую энергию, а для трансфера низкоэнергетического излучения – кислород. Пока эффективность процесса остается на низком уровне, но у учёных есть идеи, как в ближайшем будущем можно было бы повысить КПД системы.