Холодная плазма может преобразовать устойчивые фермы будущего

Стефан Рейтер, физик из Монреальской политехнической школы, исследует энергию и материю для совершенствований технологий в медицине. Недавно он обратил внимание на листовую зелень в гидропонной теплице.

Он стал размышлять, как поток заряженных частиц может повлиять на развитие растений. Как четвёртое состояние вещества может сделать теплицу более зелёной и стимулировать развитие саженцев.

Г-на Рейтера пригласили в одну из коммерческих теплиц Квебека (Мирабель, Канада), чтобы он помог оптимизировать энергетическую составляющую производства. Теплица принадлежала компании Hydroserre Inc. Она стеклянная, занимает площадь 2 футбольных полей. В ней выращивают салат, который находится на полистирольных матах в гидропонной системе.

Производитель стремился сократить углеродный след производства. Он заинтересован в поиске новых способов борьбы с патогенами и доставки питательных веществ к растениям. Многие питательные комплексы для гидропоники содержат аммиак и водородные соединения, которые необходимы для роста салата. В процессе распада данных веществ, образуется большое количество углекислого газа.

Фермер хочет, чтобы питательные комплексы были возобновляемыми. Учёные стали работать над этой задачей. В качестве источников для удобрений они рассматривают ветер, солнце и четвёртое состояние материи – плазму.

Плазма повсюду

Плазма очень распространена. Из неё состоит большая часть материи во Вселенной, по данным астрофизиков, на 99,9%. Её производит молния. Четвёртое состояние вещества можно видеть в лампочках, которые предлагаются сувенирными магазинами. В центре шара находится электрод. Его подключают к питанию. Внутри сферы создаётся высокое напряжение, которое взаимодействует с газом. Мы видим цветные красивые полоски и узоры, которые создаёт электричество и воздух.

Солнце – это плазма и газ. Солнечный ветер – это поток газа, который отделился от солнца. Когда поток сталкивается с магнитной подушкой, окружающей Землю, то образуются световые явления. Их называют северным сиянием.

Плазму используют в современных технологиях. Это чипы компьютеров, автомобилей, музыкальных открыток. Это пиксели в телевизорах, неоновые вывески, люминесцентные лампы. Материя преобразуется, когда газ получает сверхэнергию от тепла или электрического тока.

В природе четвёртое вещество возникает естественным путём. В лабораторных условиях её может создать человек. На солнце образуется «горячая», а в сувенирном шаре «холодная» плазма, которая образуется в аргоне, ксеноне или неоне.

Учёных уже давно интересует воздействие четвёртого вещества на биологические особенности растений. Ещё в конце 10 века финский физик Карл Лемстрем заметил, что северное сияние благотворно влияет на рост елей. У них увеличивается расстояние между годовыми кольцами.

Чтобы искусственно имитировать северное сияние, он поместил металлическую проволочную сетку над растущими растениями и пропустил через нее ток. Он сообщил, что при правильных условиях обработка позволила получить более высокие урожаи овощей.

На протяжении десятилетий ученым было известно, что воздействие плазмы может безопасно убивать патогенные бактерии, грибы и вирусы. Но совсем недавно Рейтер и другие физики работали над способами использования энергии для улучшения производства продуктов питания.

В некоторых случаях плазма наносится непосредственно через «струи», которые были направлены на семена и на саженцы. Другой подход использует обработанную воду, которая может выполнять двойную функцию: орошение и внесение удобрений.

В некоторых исследованиях сообщается о ряде преимуществ, начиная с того, что растения развиваются быстрее и крупнее. Они лучше противостоят воздействию насекомым-вредителям.

Эксперименты

Плазма может использоваться для приготовления удобрений. Она преобразует аммиак в полезные нитраты для растений. Проект г-на Рейтера в теплице Hydroserre Inc. Был запущен весной 2021 года.

Чтобы получить плазму, через воздух пропускается электрический ток. В результате процесса создаётся смесь заряженных и нейтральных частиц. В неё входят электроны и ионы, которые производят активные формы азота и кислорода.

Рейтер вместе со своими коллегами обогащает воду плазмой. Полученный раствор будет использоваться в гидропонной установке. Учёным предстоит выяснить, сможет ли данная смесь повлиять на развитие салата и на снижение уровня патогенов.

Необходимо подобрать определённую дозировку питательного раствора, чтобы активные вещества не нанесли вред клеткам растений или цепочке ДНК.

Ещё один способ применения плазмы был предложен Александром Волковым, который работает над своими технологиями в Университете Оквуда (Алабама). Он изучает способы взаимодействия электромагнитных волн на растения.

Г-н Волков взял для своих экспериментов бобы фасоли. Семена были помещены в плазменный шар на одну минуту. В дальнейшем их инкубировали традиционным способом в течение 7 ч. Через 2 дня учёные увидели, что ростки фасоли составляли 2,7 см. Всходы исходного материала выросли на 1,8 см. Обработанные бобы поглощали интенсивнее воду.

Учёные пришли к выводу, что при использовании плазменных ламп и сфер вода легче проникает через поры и ускоряет прорастание и развитие растений.

Растущее количество доказательств

Физик из Сербии, Невена Пауч, провела множество исследований с растениями и плазмой. Она проверяла две гипотезы; вещество в качестве дезинфицирующего средства, и как стимулятор роста.

Обработка семян, растений и плодов с помощью плазменного вещества, уменьшает количество болезнетворных бактерий, таких как кишечная палочка, сальмонелла, листерия. Эксперимент проводился на томатах черри и на салате. 5 минут обработки приводило к снижению уровня патологической микрофлоры на 90%. Опыты проводились так же с использованием лесных орехов, арахиса, фисташек.

Исследования по прорастанию семян и развитию растений тоже были многообещающими. Китайские учёные или академии наук в Нанкине работали с бобами сои. Они обрабатывали их потоком плазмы. Через 7 дней воздействия корневые отростки были на 27% тяжелее, чем у исходного материала. Данные результаты были подтверждены физиками из Румынии, которые проводили опыты с редисом.

Японские исследователи обрабатывали плазмой экспериментальное рисовое поле. Вещество они добавляли в воду. Они обнаружили, что урожайность риса на участке была на 15% выше, по сравнению с обычными растениями. Учёные говорили ещё и о продолжительности обработки. В некоторых экспериментах питательная жидкость снижала продуктивность риса.

Физики из Кореи выяснили, что воздействие потоком плазмы на семена в течение 18 минут продолжительностью 3 дня благотворно сказывается на прорастании. В то же время снижается общая масса растений в период развития. Обработка 20 минут уже затормаживает развитие сеянцев. Для опытов учёные брали посевной материал гороха, кукурузы, редиса.

По словам г-на Рейтера, прежде чем плазма станет основным продуктом питания на фермах, учёным необходимо лучше понять способы влияния вещества на семена и растения.

Успешные результаты могут быть обусловлены УФ-излучением, которое создаёт плазма. Излучение используют, в качестве дезинфицирующего средства. Азот и кислород в активной форме имеют похожий эффект. Они могут быть так же использованы и для улучшения питательности раствора для орошения. Влияние электрических и магнитных полей, которые создаёт плазма, на растения до конца не изучены.

Сады большие и маленькие

Проекты по тестированию плазмы проводятся учёными в больших масштабах и в различных условиях. Так, голландские физики, которые работают в Уганде, создали портативные реакторы. С их помощью можно создать удобрение из воздуха. Специалисты надеются, что это изобретение будет способствовать удовлетворению потребности сельхозпроизводителей в питательных веществах для растений.

Г-н Рейтер представит первые результаты своего проекта в гидропонной теплице Hydroserre Inc в начале 2022 года. Учёный надеется, что его эксперименты помогут фермерам заменить аммиак и сократить выброс СО2.

В то время, как профессионалы работают над своими опытами и проектами, частные растениеводы, физики-любители, устанавливают в своих теплицах, в сараях с лопатами и граблями, плазменные шары.

В период пандемии лаборатория Александра Волкова была закрыта. Он забрал домой всю документацию и плазменные шары. В домашних условиях он продолжил свою работу. Под пурпурный свет лампы уложил семена овощей. Затем, посадил их на участке. Это были огурцы, томаты, баклажаны, капуста. Чистоту эксперимента выдержать было сложно, потому что на развитие саженцев влияли погодные условия и другие явления, которые могли нарушить развитие растений.

Осенью учёный был поражён результатами своих посадок. Он собрал поразительный урожай. Г-н Волков отметил, что в конце сезона, в октябре, он ещё собирал крупные спелые томаты с нетронутых временем и погодой лоз.

Продолжительность вегетационного периода на лицо. Огурцы были крупнее и сочнее, чем на кустах из необработанных семян. Капуста сформировала крупные кочаны, отличалась более насыщенным вкусом. Такого урожая учёный не ожидал. К своим экспериментам на огородном участке он относился со сдержанным оптимизмом.