Sự ra đời của công nghệ trồng cây không cần đất là một bước tiến cho ngành nông nghiệp. Nếu như trước đây, đất là yếu tố không thể thiếu cho sự phát triển của cây, là nơi hỗ trợ cung cấp nước, các khoáng chất cho cây trồng và đất còn là môi trường sống cho các vi sinh vật có lợi cho cây. Tuy nhiên, nông nghiệp trồng cây trên đất hiện nay và trong tương lai phải đối mặt với nhiều thách thức bao gồm: diện tích đất nông nghiệp dần thu hẹp, đất bạc màu, nguồn nước khan hiếm do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và dễ bị sâu bệnh... Trái lại, công nghệ trồng cây không cần đất ra đời là phương pháp đầy hứa hẹn có thể thay thế phương pháp trồng cây truyền thống, không chỉ phát triển ở nông thôn và còn ở các vùng đô thị, hạn chế những thách thức hiện nay và trong tương lai và góp phần đáp ứng nhu cầu lương thực (như rau xanh) trên toàn cầu ngày càng tăng, do mỗi ngày dân số thế giới tăng hơn 200.000 người và ước tính quy mô dân số tăng 9,2 tỷ người vào năm 2050 (Naganagouda Ramalingannanavar et al, 2020).
Công nghệ trồng cây không cần đất như: công nghệ khí canh (aeroponics), thủy canh (hydroponics) và kết hợp trồng cây và nuôi thủy sản (aquaponics). Để kiểm soát sự tác động của môi trường, hạn chế côn trùng, sâu bệnh, tiết kiệm nước và có thể trồng những loại cây có giá trị kinh tế cao, số lượng lớn,… nên các công nghệ trồng cây không cần đất thực hiện trong nhà lưới và cần cung cấp lượng nước có chứa dinh dưỡng cho bộ rễ cây thông qua hệ thống bơm, có các thiết bị kiểm soát các điều kiện cho sự sinh trưởng và phát triển của cây như lưu lượng dung dịch dinh dưỡng cần bổ sung, nhiệt độ, ẩm độ,... Như vậy để hệ thống trồng cây không cần đất hoạt động được, cần cung cấp nguồn điện liên tục từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí…) sẽ làm tăng sự phát sinh khí thải và là nguyên nhân góp phần ô nhiễm môi trường, chi phí sản xuất tăng.
Nguồn năng lượng tái tạo bao gồm: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nhiệt khối ủ và năng lượng thủy triều. Trong đó, năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo, được sử dụng miễn phí mọi nơi trên thế giới. Sự phát triển khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp nông nghiệp công nghệ cao, công nghệ thông minh cũng có nghĩa là thúc đẩy nền kinh tế xanh. Các nhà khoa học đã và đang tập trung tận dụng nguồn năng lượng tái tạo và ứng dụng trong công nghệ trồng cây không cần đất, vấn đề chính để hệ thống hoạt động cần cung cấp nguồn điện liên tục. Để tăng hiệu quả hoạt động nông nghiệp xanh, bền vững sử dụng nguồn năng lượng thay thế nguồn năng lượng điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản. Trước tiên, sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời hấp thụ năng lượng mặt trời chuyển thành dòng điện một chiều (DC) bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện (PV). Sau đó, nguồn điện một chiều có thể được lưu trữ trong pin hoặc được biến đổi bằng bộ biến tần năng lượng mặt trời thành điện xoay chiều có thể được sử dụng để điều khiển hoạt động các thiết bị gia dụng. Tùy thuộc vào từng loại hệ thống, lượng điện mặt trời dư thừa có thể được đưa vào lưới điện để bán điện hoặc được lưu trữ trong hệ thống pin lưu trữ (https://givasolar-jinko.vn/cac-loai-he-thong-dien-mat-troi-hoa-luoi-doc-lap-va-luu-tru/).
Quá trình hoạt động của hệ thống trồng cây không cần đất như công nghệ khí canh, thủy canh cần nguồn điện liên tục để cung cấp đủ nước, chất dinh dưỡng và kiểm soát các điều kiện nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng… để cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt (Naganagouda Ramalingannanavar et al, 2020). Hơn nữa, Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời rất lớn. Cường độ bức xạ mặt trời dao động từ 897-2108 kWh/m2/năm, tương đương 2,46 và 5,77 kWh/m2/ngày (https://baochinhphu.vn/tiem-nang-dien-mat-troi-tai-viet-nam-102277349.htm.) Với nguồn năng lượng mặt trời dồi dào, sử dụng miễn phí và có rất nhiều lợi ích khi sử dụng năng lượng này trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao nhằm bảo vệ môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng, tiết kiệm chi phí và giúp tăng năng suất trong sản xuất nông nghiệp hữu cơ (Aroonsrinorakot,S và Laiphrakpam, M, 2019). Vì vậy, sự cần thiết trong việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời vào hệ thống trồng cây không cần đất cần sớm được nghiên cứu và hiện thực hóa đưa công nghệ vào cuộc sống.
Ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo vào các mô hình trồng cây không cần đất như sau:
- Hệ thống trồng rau khí canh, sử dụng năng lượng mặt trời tạo thành điện năng, được tích trữ vào pin và cung cấp điện năng điều khiển bơm hút dung dịch dinh dưỡng từ bồn chứa dẫn đến béc tạo thành hạt sương phun theo khoảng thời gian cố định vào bộ rễ cây được đặt trong buồng kín. Thành phần của hệ thống khí canh và kết hợp điện năng lượng mặt trời được mô tả như Hình 1, sơ đồ mạch điện từ pin năng lượng mặt trời điều khiển bơm trong hệ thống khí canh được mô tả tại Hình 2.
Các thành phần chức năng của hệ thống khí canh sử dụng điện năng lượng mặt trời:
- Trồng cây bằng công nghệ thủy canh là công nghệ trồng cây không cần đất, bộ rễ được ngâm trong dung dịch dinh dưỡng, đặt trong máng trồng. Có các dạng thủy canh gồm thủy canh tĩnh và thủy canh động (thủy canh hồi lưu), trong đó đối với thủy canh động cần thêm năng lượng điện để điều khiển hoạt động bơm giúp nguồn dung dịch dinh dưỡng luôn lưu thông từ bồn chứa đến máng trồng và hồi về bồn chứa mà không cần có béc phun (khác với trên hệ thống khí canh). Đồng thời, một số nghiên cứu cho thấy công nghệ thủy canh cần có những yêu cầu cơ bản của nó như: môi trường trồng, dung dịch dinh dưỡng, nhiệt độ, nước, ánh sáng và không khí… Do nhu cầu năng lượng cao, cần nghiên cứu cải thiện hiệu quả khi sử dụng năng lượng cần cho hệ thống thủy canh là ứng dụng điện năng lượng mặt trời nhằm tự động hóa trong hệ thống thủy canh như tự động kiểm soát các thông số nhiệt độ, cường độ ánh sáng, nồng độ, giá trị pH của dung dịch dinh dưỡng…(Simon Siregar, Marlindia Ike Sari, Rakhmi Jauhari, 2016)
Sử dụng điện năng lượng mặt trời điều khiển tự động hóa hệ thống thủy canh thể hiện ở Hình 3.
Tự động hóa đối với hệ thống thủy canh bao gồm: các cảm biến nhiệt độ, cảm biến pH, cảm biến cường độ ánh sáng và cảm biến mực nước… Chức năng tự động hóa của hệ thống thủy canh là phát hiện các thông số và thực hiện tự động hóa để kiểm soát điều kiện trong thông số đã chỉ định.
Như vậy, việc ứng dụng năng lượng mặt trời điều khiển hoạt động hệ thống trồng cây không cần đất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, thân thiện với môi trường, điều này giúp giảm phát thải lượng khí thải CO2 vào khí quyển góp phần làm chậm quá trình biến đổi khí hậu. Đặc biệt hơn đây là phương pháp tốt nhất nhằm khắc phục nhược điểm khi mất điện nếu sản xuất ở quy mô trang trại./.
ThS.Trần Thị Thưa -
Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và dịch vụ khoa học công nghệ
Nguyễn Tri Thức thực hiện
