Potencia para cultivar alimentos por persona

¿Puedo obtener una estimación aproximada de la potencia (en vatios) necesaria para producir luz para producir suficiente alimento para una persona, utilizando la agricultura vertical del tipo propuesto para los hábitats espaciales?

Cualquier concepto razonable de colonia/puesto de avanzada que cultive la mayor parte de sus alimentos y no use luz directa, pero tenga información sobre la fuente de energía de la base (kWe de un reactor nuclear, área de paneles fotovoltaicos) sería útil para encontrar estimaciones conservadoras.

Diferentes tipos de alimentos tienen eficiencias radicalmente diferentes en términos de producir un número determinado de calorías de alimentos. Creo que la variación asciende a por lo menos un par de órdenes de magnitud. Por ejemplo, la lechuga y la carne de res son extremadamente costosas de producir por unidad de energía alimentaria; la lechuga simplemente porque no es un alimento muy denso en calorías. ¿Deberíamos suponer que sus colonos están dispuestos a ser vegetarianos y seguir una dieta restringida a los cultivos más eficientes?
@BenCrowell Sí, esas suposiciones coinciden con el propósito. Quiero una idea muy general, para ayudar a decidir si varios conceptos son factibles. Este documento: ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070032685.pdf parece sugerir 3 kW/persona para todos los propósitos, lo que me parece terriblemente optimista.
@DJohnM Correcto, lo siento, quise decir poder.
Quizás se podría calcular el peor de los casos en base a un optimista .25 hectáreas de tierra para mantener a 1 persona y aprox. Flujo solar de 1 kW/m2 para unos 2500kW por persona. Tenga en cuenta las horas de luz del día, el ángulo de incidencia solar en la mayoría de las regiones agrícolas y tal vez se reduzca a 500kW más o menos. Pero una persona sedentaria genera alrededor de 100 W de calor, por lo que puede haber grandes ineficiencias en la conversión de la luz solar en alimentos cultivados, que pueden o no existir en la producción de alimentos del "hábitat espacial".
Esta es una pregunta realmente interesante, y creo que una buena respuesta será bastante aleccionadora. Las unidades relevantes para suministro y almacenamiento podrían ser TRPP y TPWPP (Tesla techo por persona, Tesla Powerwall por persona);) Supongo que la respuesta sería cien de cada uno, veamos. Algunas de nuestras calorías pueden provenir de azúcares sintetizados electroquímica o fotoquímicamente, consumidos o luego bioreaccionados para obtener alimentos espaciales pegajosos y masticables. Los campos de trigo, arroz, frijoles y tomates bajo LED pueden no ser el modelo más viable.
Hola a todos, la luz solar es útil para el peor de los casos, pero para ser más realistas, ¿alguien puede encontrar números para la agricultura vertical, la mayoría de los cuales (hoy en día) se hacen con LED, no con luz solar?
Obtuve una estimación (100W * 24h / 1%) de 240 kWh por persona por día divididos por la eficiencia de las luces LED de crecimiento sobre la luz solar. Esto se basa en la estimación de Britanica del 1 por ciento ( britannica.com/science/photolysis/… ). Si la luz LED ajustada a los requisitos de la plataforma requiriera un tercio de la energía de la luz solar, entonces sería 80kWh o 240 kWh / 3. No encontré información específica sobre esa eficiencia. La ISS realizó un experimento de crecimiento de alimentos, por lo que los datos deberían existir: nasa.gov/feature/…

Respuestas (3)

La cifra de 3kw/persona en el informe original puede ser solo para soporte vital general: se advierte que está "en el hábitat" y el informe continúa diciendo explícitamente que la unidad de fabricación tendrá energía adicional. La finca se muestra como un tercer módulo.

Se estima que el invernadero del Polo Sur (totalmente bajo techo) funcionará con una eficiencia de "... suponiendo que el combustible cuesta alrededor de $ 4,50 por litro, los vegetales cuestan alrededor de $ 50 por libra". Un litro de diésel parece producir aproximadamente 10 kwh de energía, por lo que estás buscando 100 kwh para producir una libra de vegetales. Eso podría ser cualquier cosa desde 100 calorías (espinacas) hacia arriba; el arroz y el trigo tienen densidades de energía mucho más altas (500-1500 cal/lb) pero también tienen mucho peso no comestible adicional, por ejemplo, en el tallo. Digamos que puede obtener 500 cal/lb con enfoques agrícolas muy intensivos y reutilización inteligente del calor, probablemente una estimación generosa.

Esto significa que necesita suficiente aporte de energía para aproximadamente cuatro libras y un poco de crecimiento por persona por día, o 450 kwh. Suponiendo una agricultura de 24 horas, entonces está viendo ~ 20kw de energía solar de forma continua.

Esto parece desafiante. Toda la ISS (suponiendo que las matrices funcionen aproximadamente el 50% del tiempo) produciría la energía suficiente para alimentar a una tripulación de tres personas sin que quedara nada para el soporte vital...

Buscando datos sobre agricultura de interior, lo más relevante que pude encontrar fue sobre el cultivo de marihuana en la revista High Times . Parece ser fantásticamente intensivo en energía, posiblemente utilizando hasta el 1% de la producción de energía eléctrica de los EE. UU. Cultivar un kilogramo de marihuana parece requerir alrededor de mi = 2 × 10 10 J de energía. Supongamos que podemos cultivar un kilogramo de trigo con el mismo aporte de energía. El trigo tiene una densidad de energía de aproximadamente d = 3400 kcal/kg. Un humano necesita sobre C = 0.02 kcal/s de alimento.

El resultado es C mi / d ∼ 100 kW de energía eléctrica para apoyar a un ser humano con la agricultura de interior. Dadas todas las suposiciones de orden de magnitud muy aproximadas involucradas, esto parece estar más o menos en línea con la estimación de Anthony X en un comentario de 500 kW. Pase lo que pase, esta es una cantidad fantástica de energía, que eclipsa los aproximadamente 2 kW por persona que se utilizan en las bases antárticas, que se envían con sus alimentos.

Parece que una colonia espacial autosuficiente haría bien en usar la luz del sol, no la iluminación eléctrica, para su agricultura.

Para comparar con mi ∼ 10 10 J para cultivar un kg de trigo en el interior, solo cuesta algo así como 5 × 10 8 J para acelerar un kg a la misma velocidad que la velocidad orbital de la tierra alrededor del sol. Esto sugiere que si estás en un lugar que no tiene suficiente luz solar (¿superficie de Titán?), podrías ser inteligente simplemente importando tu comida.

Es una opción interesante para un modelo de planta. Hice una pequeña edición solo para que las personas supieran mejor el nombre de la fuente en la que podrían estar haciendo clic. Pero la declaración "... haría bien en utilizar la luz del sol, no la iluminación eléctrica, para su agricultura". tendría que estar mejor defendido. La luz solar de Marte es tenue, aproximadamente la mitad de la de la Tierra, por lo que el crecimiento de las plantas sería más lento sin concentradores. Las ventanas tendrían que aislarse contra la exposición infrarroja al espacio. En la Tierra, el aire ambiente mantiene caliente el vidrio del invernadero. Yo diría que se limite a responder a la pregunta o busque un soporte técnico sólido.
¡Superficie de Titán, de hecho! Todo esto parece estar basado en cultivos iluminados por el sol. ¿Tal vez podamos encontrar algunas cifras sobre agricultura vertical, la mayoría de las cuales (hoy) se realizan a través de luces ultravioleta, no de ventanas?
@Deimophobia: No entiendo tu comentario. No hay nada en mi estimación que tenga algo que ver con las ventanas. Esta estimación se refiere a la iluminación artificial y utiliza datos de la agricultura comercial que utiliza iluminación artificial.
@BenCrowell ¡Oh, disculpas! Debería haber revisado tu enlace.
Estoy bastante seguro de que no se pueden comparar los rendimientos de esas dos especies de plantas, ya que las proporciones del exceso de materia vegetal con respecto a la materia "consumible" son completamente diferentes para el cáñamo y el trigo. Estoy bastante seguro de que su fuente está hablando solo de las partes consumibles de la planta, y para el cáñamo es muy probable que este sea un número tomado incluso después del secado.
Para el cáñamo sin secar, la proporción de exceso a consumible sería de aproximadamente 10:1, para el cáñamo seco, más como 100:1. La masa del trigo es principalmente la fruta, por lo que aquí la proporción probablemente sea más como 1:10. Eso es hasta 3 órdenes de magnitud de diferencia. Después de todo, podría ser más eficiente cultivar en Marte que importar de la Tierra.

Si acepta los números en http://www.theoildrum.com/node/6252 (que son fuente, pero eso no los hace necesariamente precisos), se necesitan 0,430 kwh de energía para producir 390 calorías de alimentos (390 kcal) de maíz, para una calificación de eficiencia del 102%.

Al principio pensé que esto era imposible, ya que aparentemente violaría la Segunda Ley de la Termodinámica, pero el cálculo solo incluye la energía luminosa requerida: la energía calórica adicional proviene de la materia física que compone el maíz, principalmente carbono, hidrógeno y oxígeno. . En otras palabras, la creación de maíz requiere tanto energía como materias primas, y las materias primas mismas contienen energía almacenada.

Suponiendo que pueda vivir principalmente (aunque no del todo) de maíz, este número es lo suficientemente cercano al 100% como para que podamos asumir aproximadamente una transferencia de 1 a 1 de energía lumínica a energía calórica.

La persona saludable promedio quema al menos 2000 calorías al día (alrededor de 100 vatios), aunque esto supone muy poca actividad. Con una cantidad razonable de actividad, esto se acerca más a las 3000 calorías (alrededor de 150 vatios).

Entonces, de manera poco interesante, la cantidad de energía que necesita es, suponiendo que tenga suficientes materias primas, es más o menos la cantidad de energía que quema una persona promedio.

Esos números son extremadamente sospechosos para este contexto: si revisa el estudio vinculado para el maíz, no parece incluir la energía solar como entrada, en otras palabras, los 0.430kWh son solo las entradas de energía de fuentes humanas. También debo agregar que el CO2 y el H2O no contienen energía para los propósitos de las plantas; de hecho, se requiere energía para romper los enlaces químicos para obtener el hidrógeno y el carbono para producir carbohidratos.
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