مستقبل الزراعة الفلكية والابتكارات الهندسية في الزراعة الحضرية

الزراعة الفلكية هي إعادة تشكيل نظم الأغذية في المدينة

سكان الحضر يتضخمون، والضغط على الزراعة التقليدية لم يكن أكبر أبداً بحلول عام 2050، سيعيش حوالي 70 في المائة من سكان العالم في المدن، ويدربون سلاسل الإمداد التي تعاني بالفعل من عدم الكفاءة، والنفايات، وانبعاثات الكربون، فالزراعة الرأسية توفر حلاً مقنعاً، بدلاً من أن نزرع منتجات عبر القارات، يمكننا أن نزرعها داخل المباني التي يعيش فيها الناس ويعملون.

ولكن الزراعة الرأسية ليست مفهوماً لا جدوى منه فحسب، فالشركات الحقيقية، من الجهات الفاعلة القائمة إلى البدأ في التطهير، تثبت بالفعل النموذج على نطاق واسع، فالابتكارات الهندسية في مجال الإضاءة والتشغيل الآلي والطاقة المتجددة تؤدي إلى خفض التكاليف وتعزيز المحاصيل، وبما أن هذه التكنولوجيات ناضجة، فإن المزارع العمودية ستتحول إلى سمة قياسية من سمات المشهد الحضري، مكملة للزراعة التقليدية، ومساعدة المدن على أن تغذي نفسها على نحو مستدام.

فهم نموذج المزارع الفلكية

وفي جوهرها، تتجه الزراعة الرأسية نحو نمو الأغذية في طبقات مكدسة في بيئة خاضعة للمراقبة، وخلافاً للدائنات التي تعتمد على ضوء الشمس الطبيعي والظروف الموسمية، تستخدم المزارع العمودية الإضاءة الصناعية، والضوابط المناخية الدقيقة، والأساليب التي لا تربة لتعظيم نمو النباتات في جميع أنحاء العالم، وهذا النهج يسمح للمنتجين بزراعة خضراء الورق والأعشاب والميكروجين وحتى بعض الفواكه والخضروات في الفضاءات التي تكون خالية من الناحية الأخرى.

ويستند هذا المفهوم إلى عدة تقنيات زراعية ثابتة، لكل منها قوة خاصة بها:

• Hydroponics]: النباتات تنمو في المياه الغنية بالمغذيات بدلاً من التربة، وتستخدم هذه الطريقة ما يصل إلى 90 في المائة من المياه أقل من الزراعة التقليدية وتتيح دورات النمو السريع.
• Aeroponics]: يتم تعليق الروتات في الهواء وتسيئ معالجة المغذيات، بل تستخدم النظم الأيروبيولوجية المياه أقل من الهيدروبونية وتوفر الأكسجين الممتاز للتنمية الجذرية السريعة.
• Aquaponics]: نظام هجين يجمع بين الهيدرولوجينات والزراعة السمكية، وتوفر نفايات الأسماك مغذيات للنباتات، وتساعد النباتات في تصفية المياه للأسماك، مما ينشئ نظاماً إيكولوجياً مغلقاً.

وتعتمد معظم المزارع الرأسية التجارية على الهيدروبونية أو الأيروبيون لأنها توفر أكثر أنواع المياه كفاءة واستخدام المغذيات، والنظم القائمة على التربة أقل شيوعاً في الأماكن الداخلية بسبب الوزن، ومخاطر الآفات، وصعوبة اتقاء التربة.

Core Technologies Powering Indoor Agriculture

ولن يكون من الممكن تحقيق الزراعة الفلكية بدون مجموعة من التكنولوجيات الهندسية المتقدمة، فهذه النظم تعمل معاً على تهيئة بيئة مستقرة ومنتجة يمكن تكرارها في أي مكان في العالم.

ضوء الشمس بدون الشمس

فغبياء الخفيف هم العمود الفقري للمزارع العمودية الحديثة، وعلى عكس الصوديوم العالي الكساد أو الأضواء الفلورية القديمة، يمكن أن تُستخدم الأجهزة المتفجرة المرتجلة في موجات محددة تستخدمها النباتات بأكثر كفاءة، حيث أن الطيف الأحمر والزرق يقودان التليف الضوئي، بينما يمكن للزراعة البعيدة المدى والموجة فوق البنفسج أن تؤثر على شكل النباتات، وعلى تصميمات السائلة، وعلى المحتوى التغذوي.

وتقدم شركات مثل شركة Fluence من قبل منظمة SRAM وتوقيع (فيليبس لايتنغ سابقا) الآن تركيبات متخصصة في الأشعة الليبرالية الوبائية التي توفر كثافة عالية من التدفق الضوئي الاصطناعي بأقل قدر من الناتج الحر، مما يتيح للمزارعين وضع الأضواء بالقرب من النباتات دون إحراقها، مما يزيد من كفاءة استخدام الضوء إلى أقصى حد.

Automated Climate Control and AI

ويتطلب الحفاظ على البيئة المثالية للمحاصيل رصداً وتكييفاً مستمراً، وتستخدم المزارع العمودية صفائف من أجهزة الاستشعار لتتبع درجة الحرارة، والرطوبة، ومستويات ثاني أكسيد الكربون، والتدفق الجوي، والتركيزات المغذية، وتعالج الخوارزميات الذكية هذه البيانات في الوقت الحقيقي، وتجعل التعديلات الدقيقة التي تحافظ على الظروف المثلى، كما يمكن لنماذج التعلم الماك أن تنب أنماط نمو النباتات، وتكشف عن علامات مبكرة على توقيت الإصابة بالمرض أو نقص المغذيات.

فعلى سبيل المثال، تقوم منابر أخرى تركز على التركيز ألف لتحليل صور الأوراق لتحديد القضايا قبل أن تصبح واضحة للعين البشرية، ويقلل هذا المستوى من الدقة من فقدان المحاصيل ويحسن الاتساق في دورات الحصاد.

هندسة النظام الهيدروبوني والهيروبوني

وقد أصبحت النظم المادية التي توفر المياه والمغذيات أكثر تطورا، وتستخدم المنشآت المائية الحديثة المضخات الترويحية، ومستشعرات الهيدروجين والكهرباء، ونظم الترميم الآلية للحفاظ على مستويات المغذيات متوازنة، وتحتاج النظم الأيروبيولوجية إلى رقابة أفضل، لأن الأزياء الخاطئة يمكن أن تستنسخ، ويجب أن تظل الغرف الجذرية معقمة.

ومن بين الابتكارات الملحوظة استخدام الفوجارات فوق الصوتية التي تخلق ضباباً سليماً دون ضغط مرتفع، مما يقلل من استهلاك الطاقة وصيانتها، وقد قامت شركات مثل شركة إيروسفرس (التي أصبحت الآن جزءاً من عملية اندماج تابعة لشركة سبيك) ببناء مزارع بأكملها حول نظم هوائية مملوكة ملكية تدعي أنها تحقق إنتاجية أعلى بمقدار 390 مرة لكل قدم مربع من الزراعة الميدانية.

الأجهزة والتألق

وتمثل تكاليف العمل جزءا كبيرا من مصروفات التشغيل لأي مزرعة، وتتجه المزارع العمودية بشكل متزايد إلى الروبوتات لمعالجة مهام متكررة مثل البذر، والزرع، والحصاد، والتغليف، وتنتقل الروبوتات المتنقلة المستقلة ذاتيا إلى صنادق النباتات بين الرفوف ومراكز التجهيز، بينما تلتقط الأسلحة الآلية أوراقا فردية أو رؤساء من الهدر.

وقد وضعت نظماً متنامية مستقلة تماماً، حيث يدير الروبوت دورة الحياة بأكملها، من المزارع إلى الحصاد، ويمكن لهذه النظم أن تعمل 24/7 وأن تقلل من خطر التلوث من من مناولة البشر، ونظراً إلى تحسن تكنولوجيا الاستشعار وتصميمات الحزن، أصبح الآليون قادرين على التعامل مع المحاصيل الأكثر حساسية، مثل الفراولة والطماطم.

الإفطارات الهندسية على الأفق

وفي حين أن التكنولوجيات الحالية قد جعلت الزراعة الرأسية صالحة تجاريا لبعض المحاصيل، فإن الموجة التالية من الابتكارات الهندسية تعد بتوسيع نطاق المحاصيل التي يمكن أن تنمو داخل المباني وبزيادة تخفيض التكاليف.

تصميمات المباني النموذجية والتناسبية

ومن أكبر الحواجز التي تحول دون دخول الزراعة العمودية ارتفاع تكلفة إعادة تجهيز المباني القائمة أو بناء مرافق جديدة، وتعالج هذه التصاميم النموذجية باستخدام وحدات جاهزة ومجهزة بسرعة ومصممة خصيصا لمختلف المحاصيل أو المناخات، ويمكن توسيع هذه الوحدات أو تقليصها، مما يسمح للمزارعين بالبدء في صغر حجمها وتوسيعها مع نمو الطلب.

ويدفع المؤيدون بأنه يمكن نشر المزارع النموذجية في مناطق تخفيف حدة الكوارث، أو في القواعد العسكرية، أو داخل المجمعات السكنية، مما يوفر الأغذية الجديدة التي تعطل فيها سلاسل الإمداد، وتبيع شركات مثل نظم الأسلحة ذات النطاق العنيف وزمبابوي نظماً نموذجية تلائم حاويات الشحن أو المستودعات المتروكة، مما يجعل الزراعة العمودية أكثر سهولة أمام أصحاب المشاريع في المناطق الحضرية الكثيفة.

Renewable Energy Integration

ولا يزال استهلاك الطاقة واحدا من أكبر التكاليف التشغيلية للمزارع العمودية، ولا سيما بالنسبة للإضاءة ومكافحة المناخ، ويمكن أن يؤدي دمج مصادر الطاقة المتجددة إلى خفض التكاليف وبصمات الكربون على السواء، ويمكن أن تعوض الألواح الشمسية على السطح أو الجدران الخارجية عن استخدام الكهرباء في النهار، في حين أن التوربينات الريحية الصغيرة أو المضخات الحرارية الأرضية يمكن أن توفر طاقة إضافية وتدفئة/تدفئة.

وتستكشف بعض المزارع تخزين البطاريات في الموقع لتخزين فائض الطاقة المتجددة للاستخدام الليلي، وفي المناطق التي ترتفع فيها أسعار الكهرباء، يمكن أن يحقق تضافر الطاقة الشمسية مع التخزين التكافؤ بين الشبكات ويجعل المزارع العمودية قادرة على المنافسة اقتصاديا مع الدفاتر التقليدية، وتقترب أوجه التقدم الهندسي في الخلايا الشمسية ذات الرشاقة والبطاريات الكثيفة من الواقع.

نظام إعادة تدوير المياه المتقدم ونظام إغلاقه

إن كفاءة المياه هي بالفعل نقطة بيع قوية للزراعة الرأسية، ولكن المهندسين يتجهون نحو نظم تصريف المياه بالقرب من زيرو، والتدفق المتقدم باستخدام التهاب الرئوي العكسي، وتعقيم الأشعة فوق البنفسجية، والمرشحات الحيوية تسمح للمزارع بإعادة تدوير جميع المياه التي تستخدمها تقريبا، بل إن بعض النظم تلتقط الرطوبة من الهواء عن طريق إزالة الرهون، وتكمل إمدادات المياه دون استخلاص من مصادر البلديات.

وفي المناطق القاحلة مثل الشرق الأوسط وأجزاء من جنوب غرب الولايات المتحدة، يمكن لهذه النظم المغلقة أن تمكن الإنتاج المحلي من الأغذية دون أن تدرّب موارد المياه الشحيحة أصلا، ويتمثل التحدي الهندسي في جعل نظم إعادة التدوير هذه متماسكة، وميسورة التكلفة، وموثوقة بما يكفي لمواصلة التشغيل.

الاستخبارات الفنية والتحليلات الجاهزة

وتتجاوز منظمة العفو الدولية التعديلات التفاعلية للتحليلات التنبؤية والتأديبية، إذ إن هذه المعلومات التي تجمع بين البيانات التاريخية والمدخلات الحساسية في الوقت الحقيقي، يمكن أن تتوقّع نماذج التعلم الآلات غلات المحاصيل، وتضع جداول زراعية على النحو الأمثل، بل وتوصى باختيارات جينية لظروف بيئية محددة، وهذا المستوى من المعلومات الاستخبارية يسمح للمزارع بالعمل بأقل قدر من التدخل البشري مع تحقيق أقصى قدر من الناتج والجودة.

فعلى سبيل المثال، تستخدم شركة كولتفاتد (AI) ((FLT:0)) (AI)) لمساعدة المزارعين على تحديد متى يجنيون كل مصنع على أساس الحجم واللون والكثافة المغذية، مما يقلل من النفايات ويكفل وصول كل منشأة إلى الزبون في مرحلة الذروة، وبما أن نماذج الآلات قد تصبح أكثر تطوراً، فإنها قد تمكن المزارع أيضاً من التكيف مع متطلبات السوق المتغيرة في وقت حقيقي.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

فالزراعة الفلكية ليست مفهوما نظريا، وقد أثبتت شركات عديدة بالفعل أن الزراعة الداخلية يمكن أن تكون مربحة وقابلة للتوسع عندما تقترن بالهندسة الصحيحة.

"الكثير: مزرعة كبيرة في الداخل في الولايات المتحدة"

وتدير شركة " بانتي " ، التي تأسست في جنوب سان فرانسيسكو، إحدى أكبر المزارع العمودية في العالم، وتستخدم مرفقها أبراجاً متنامية مكتظة، وتضيء من معدات الصيد غير المشروع، ونظاماً آلياً تماماً لإنتاج أخضر ورقي ورقي، وقد جمعت الشركة أكثر من 500 مليون دولار من المستثمرين، بما في ذلك شركة " سوفتبانك " و " فالمارت " ، وتقوم ببناء مزارع جديدة في المائة في كومبتون، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتسعين، وتقترب من 99 في المائة منها تقريباً من إجمالية من إجمالية من إجمالية من إجمالية.

الزراعة: الزراعة المتنقلة في الفضاءات التجزئة

ويمكن أن تُنظم هذه المزارع في المناطق الزراعية المزروعة التي يوجد مقرها في برلين مباشرة داخل مخازن البقالة والمطاعم ومراكز التوزيع، وتسمح نظمها المدمجة للمتاجرة بأن تزرع الأعشاب والسلطنة في الموقع، وتقضي على تكاليف النقل والتخزين، وتخضع المزارع الزراعية للتحكم المركزي من خلال منصة سحابية ترصد بيئة كل وحدة من الوحدات وتكيف الظروف الزراعية الشائعة.

المزارع الحرفية في اليابان وسنغافورة

وتواجه اليابان وسنغافورة قيودا شديدة على الأراضي، وتعتمدان الزراعة الرأسية كوسيلة لتعزيز الأمن الغذائي، وفي سنغافورة، تعمل شركات مثل زراعة السستنير وغرينز ذات تكنولوجيا عالية تنتج الخضراوات في إطار المداخن المكدسة، وتستخدم تصميم البرج المزدوج المفرد الذي يستعمل نظاماً للتناوب محركه الماء الهاي ويعرض كل من المد إلى ضوء الشمس، مما يقلل من الحاجة إلى الاضواء الاصطناعي.

التحديات التي لا تزال بحاجة إلى حلول هندسية

وعلى الرغم من التقدم المحرز، فإن الزراعة الرأسية ليست حلاً للحلول، ولا تزال هناك عدة تحديات كبيرة، وهي تتطلب حلولاً هندسية مدروسة بدلاً من أن تكون مجرد محورات للأعمال التجارية.

النفقات الرأسمالية

ويتطلب بناء مزرعة رأسية تجارية الحجم استثماراً كبيراً في البداية، وغالباً بملايين الدولارات، ويمكن أن تكون تكلفة الإضاءة المتخصصة ونظم التحكم في المناخ والقصف ومعدات التشغيل الآلي باهظة بالنسبة للمشغلين الصغار، وفي حين أن النظم النموذجية تقلل من حاجز الدخول، فإنها لا تزال بحاجة إلى رأس مال كبير، ويعمل المهندسون على خفض تكاليف المكونات من خلال الإنتاج الجماعي، وتحسين التصميم، واستخدام أجزاء من المحركات في الأماكن التي يمكن فيها.

كثافة الطاقة

وتستهلك نظم الإضاءة والتردد العالي جداً من الكهرباء، وحتى مع أكثر الأجهزة المتفجرة المرتجلة كفاءة، فإن الطاقة اللازمة للاستعاضة عن ضوء الشمس كبيرة، وفي المناطق التي ترتفع فيها أسعار الكهرباء، يمكن أن يجعل هذا الزراعة العمودية غير اقتصادية للمحاصيل ذات القيمة المنخفضة للتجزئة، حيث إن تكامل الطاقة المتجددة وتحسين كفاءة الطاقة لكل عنصر (بما في ذلك المراوح والمضخات والمجسات) هي مجالات حيوية من مجالات البحث.

Limited Crop Variety

ومعظم المزارع العمودية تزرع حالياً أخضراً ورقياً وأعشاباً وميكروجين، وهذه المحاصيل مناسبة تماماً للظروف الداخلية لأنها تُعاني من دورات نمو قصيرة، وعوامل شكلية، وقيمة سوقية عالية، ومع ذلك فإن المحاصيل الأساسية مثل القمح والذرة والأرز لا تزال بعيدة المنال بسبب حجمها الكبير، وفترات النمو الطويلة، وانخفاض أسعار السعر لكل سعر حراري.

التعقيد والقابلية للاعتماد

فالمزرعة العمودية هي نظام معقد للنظم الفرعية المترابطة، وإذا فشل أحد المكونات - المضخة، والمجس، ومراقب الضوء - يمكن أن تتأثر العملية برمتها، فالهندسة اللازمة للموثوقية، والتكرار، والتسامح مع الأخطاء، هي أمر أساسي، ويمكن أن يساعد الرصد عن بعد والصيانة التنبؤية، ولكن الصناعة لا تزال تفتقر إلى بروتوكولات موحدة لإدماج النظم، ومع نضج القطاع، يمكننا أن نتوقع وجود نظم رقابة أكثر قوة وسهلة الاستعمال تقلل من الحد من مستوياتها.

The Intersection of Policy, Economics, and Engineering

ولا توجد الزراعة العمودية في فراغ، وسيشكل مستقبلها من خلال قرارات السياسة العامة، وديناميات السوق، وأفضليات المستهلكين، وقد بدأت الحكومات في المناطق الحضرية تعترف بالزراعة الرأسية كأداة للأمن الغذائي والقدرة على مواجهة الكوارث، وقد أدرجت بعض المدن، مثل باريس وطوكيو، المزارع العمودية في استراتيجياتها للتخطيط الحضري، مما يوفر حوافز للمطورين لكي يدرجوا مزارع السقف أو القاعد في البناء الجديد.

وفي الوقت نفسه، تتحسن القدرة الاقتصادية للزراعة الرأسية مع انخفاض تكلفة الطاقة المتجددة، ونظرا لأن تسعير الكربون يجعل النقل الغذائي البعيد المدى أكثر تكلفة، ولا يزال الطلب على المنتجات الخالية من مبيدات الآفات المصدر محليا آخذا في النمو، والمزارع العمودية في موقع فريد لتلبية هذا الطلب بسلسلة عرض شفافة.

ويؤدي المهندسون دورا حاسما في سد الفجوة بين ما هو ممكن تقنيا وما هو ممكن من الناحية الاقتصادية، ومن خلال خفض تكاليف رأس المال، وتحسين كفاءة الطاقة، وتوسيع نطاق المحاصيل التي يمكن أن تنمو داخل المباني، سيحددون مدى سرعة مقاييس الزراعة الرأسية من صناعة النشء إلى عنصر أساسي من عناصر النظام الغذائي العالمي.

ما يحمله العقد القادم للزراعة الحضرية

ومن المرجح أن تكون الزراعة العمودية أكثر تخصصا وانتشارا، وسنرى المزارع التي تبنى الغرض من أجل محاصيل محددة، مثل التوت، والطماطم، بل الخضار الجذرية، حيث يقوم المهندسون بحل تحديات التلوث الداخلي، وتوقيت المغذيات، والدعم الهيكلي للمصانع الأكبر حجما، وستصبح نظم الرقابة القائمة على أساس عال معيارا، مما يتيح للمزارع العمل بأقل قدر من الرقابة البشرية، ويستمر في تحسين نوعية إنتاج الطاقة.

وستظهر المزارع المتحركة في أماكن أكثر غير متوقعة: داخل مباني المكاتب والمستشفيات والمدارس ومجمعات الشققق، وستوفر هذه المزارع الصغيرة الأغذية الطازجة للمقصفات والمطابخ المجتمعية، وهي تعمل أيضا كأدوات تعليمية، وفي النهاية، ستوفر المزارع الضخمة التي تستخدم المباني المتعددة الأطراف سلاسل البقالة وشركات الخدمات الغذائية ذات الإنتاج العام المتسق والعالي الجودة.

وقد نرى أيضا ظهور نظم هجينة تجمع بين الزراعة العمودية والاحتباس الحراري التقليدي، مما يؤدي إلى الاستفادة من أفضل العالمين، وعلى سبيل المثال، قد يستخدم الدفيئة ضوء الشمس الطبيعي في معظم السنة ويتحول إلى الأجهزة المبلّغ عنها أثناء الشتاء، مع إدماج الإطارات العمودية لزيادة القدرات، ويمكن لهذه النهج الهجينة أن تقلل من التكاليف العامة وأن توسع النطاق الجغرافي الذي تربح فيه الزراعة الداخلية.

الخلاصة: الهندسة (أ) مستقبل الغذاء المقاوم

فالزراعة الرأسية وحدها لن تحل محل الزراعة التقليدية، بل لا ينبغي لها ذلك، بل تكمن قوتها الكبرى في استكمال النظم القائمة، وسد الثغرات التي لا يمكن أن تعالجها الزراعة التقليدية بسهولة، وفي المراكز الحضرية الكثيفة والمناخ القاحلة والمناطق المتضررة من النزاعات أو تغير المناخ، يمكن للمزارع العمودية أن توفر مصدرا موثوقا للأغذية العذبة بينما تستهلك قدرا أقل بكثير من الأراضي والمياه.

وتتقدم بسرعة الابتكارات الهندسية التي تمكن من هذا التحول - من الأجهزة المتفجرة المرتجلة الدقيقة ومراقبة المناخ التي تحركها الوكالة إلى تصميمات البناء النموذجية وإعادة تدوير المياه المتقدمة - وتخفض كل انجاز الحواجز التي تعترض الدخول وتجعل الزراعة الرأسية أكثر مرونة وأكثر تكلفة وأكثر تنوعا، ومع تطور هذه التكنولوجيات، فإن رؤية الزراعة الحضرية المستدامة حقا تنتقل من إمكانية إلى واقع.

وبالنسبة للمهندسين ومنظمي المشاريع وصانعي السياسات على السواء، فإن الرسالة واضحة: فمستقبل الأغذية لن ينمو في الميادين فحسب، بل أيضا في قلب مدننا، التي تشكلها نفس الإبداع الذي يدفع المباني الذكية ونظم الطاقة المتجددة في القرن الحادي والعشرين.