Вертикальная ферма

Вертикальная ферма — обобщённое название высокоавтоматизированного агропромышленного комплекса для выращивания культурных растений методами гидропоники или аэропоники в закрытых помещениях внутри специально спроектированного или адаптированного для этого здания. Главными отличиями вертикальных агропроизводств от традиционных тепличных хозяйств являются многоярусное размещение насаждений и полностью контролируемый в закрытом помещении климат. Термин и идея принадлежат Диксону Деспоммье^{[англ.][1]}.

По состоянию на 2020 год в мире существует эквивалент около 30 га действующих вертикальных сельскохозугодий^[2]. Современное применение многоуровневых стеллажей в сочетании фитоосвещением на основе светодиодов, автоматизация ирригации и подачи удобрений, позволяют в 5 и более раз повысить урожайность с единицы площади на вертикальных фермах по сравнению с традиционными методами земледелия^[3]. Доклады Европейской комиссии^[4] и Всемирного фонда природы^[5] признают бóльшую экологическую безопасность вертикальных ферм по сравнению с тепличными агропроизводством.

Проекты вертикальных ферм заявляют следующие характеристики:

• стабильность урожая, который не зависит от природных условий;
• применение информационных технологий, в частности интернета вещей и машинного зрения для контроля и оптимизации роста урожая;
• применение систем сбора и очистки воды, позволяющих снизить водопотребление на 95 % относительно традиционных агропроизводств;
• повышенное потребление углекислого газа;
• замкнутый цикл вентиляции, очистка и ионизация воздуха в залах выращивания, позволяющий исключить возникновение вредителя и фитопатологий, использование пестицидов, гербицидов и инсектицидов;
• гибкая конструкция с возможностью лёгкого расширения производства;
• возможность размещения в черте городов, в перепрофилируемых объектах индустриальной инфраструктуры;
• энергетическая независимость (при использовании солнечной и ветровой энергии).

Концепция вертикальной фермы была сформулирована профессором Колумбийского университета Диксоном Деспоммье^{[англ.][6]}. В 1999 году он провел исследование, призванное подсчитать, какое количество растительной пищи можно произвести тепличным методом, используя в качестве площадей крыши нью-йоркских небоскребов. Аспиранты, проводившие работу, пришли к выводу, что такие фермы смогут прокормить только около 1000 человек^[7]. Не удовлетворенный результатами, Деспоммье постулировал возможность выращивать растения в помещении на нескольких вертикальных уровнях^[7] и предложил проект 30-этажной вертикальной фермы, оснащенной искусственным освещением, гидропонными и аэропонными стеллажами^[8], которая смогла бы производить количество пищи достаточное для пропитания 50 000 человек^[7]. На верхних этажах спроектированного им небоскреба планировалось выращивание около 100 видов фруктов и овощей, а на нижних — размещение птицефермы и аквариумов для промышленного производства рыбы, которое использовало бы отходы растениеводства как питание для рыб и птиц. Ферма-небоскреб Деспомье на сегодняшний день не построена, но она популяризировала идею вертикального земледелия и вдохновила многие последующие проекты^[7].

Рост индустрии в 2000-2010 годах сдерживался высокими энергозатратами на фитоосвещение вертикальных ферм, коммерческие проекты не достигали рентабельности^[9]. Однако, в последующее десятилетие, рост эффективности светодиодного освещения^[10] и снижение цен на электроэнергию из возобновляемых источников сделали возможным коммерческое "вертикальное" производство салатных трав, овощей и ягод, а также появление разработчиков технологий и производителей оборудования для отрасли.

В период с 2014 по 2020 год cуммарно около 1,8 млрд долларов США было инвестировано в стартапы отрасли^[11]. Были созданы и в настоящее время существуют ряд специализированных отраслевых новостных изданий^[12], а также международная Ассоциация вертикального фермерства^[англ.] со штаб-квартирой в Мюнхене, Германия.

Общий объем глобального рынка вертикальных ферм по данным Globe Newswire в 2020 году составил 3 млрд. долларов США, из которых наиболее значительными являются рынки США, Китая, Японии и Германии^[13]. На 2021, по оценкам^[14] Деспомье странами-лидерами по внедрению вертикальных ферм являются Япония (количество оценивается в сотнях), Тайвань (ок.150) и США (100-150),так же в последнее время появляются ягодные фермы. В том числе и в России начинаются эксперименты ягодных вертикальных ферм на подобии Фруктового базара. В ближайшие годы аналитиками прогнозируется^[13][15] значительный рост объемов инвестиций и оборотов в отрасли.

• Гидропонные (реже, аэропонные) агропроизводства, специализирующиеся на выращивание зелени, салатов, овощей, ягод, как правило располагающиеся в перепрофилифилированных торговых, складских, легкопромышленных помещениях;
• Аквапонные системы, сочетающие выращивание аквакультуры (рыбы или водных животных) и гидропонное выращивание растений;
• Помещения проращивания, позволяющие обеспечить высокий процент всхожести семян для предварительной подготовки рассады в крупных тепличных комплексах;
• Фермы контейнерного типа, перемещаемые с помощью грузового транспорта;
• Малообъёмные блоки доращивания, т. н. «кропперы», представляющие собой витрины для выращивания зелени на последней стадии дозревания, размещаемые в местах продаж.

Экологи отмечают потенциальный долгосрочный позитивный экологический эффект вертикальных ферм, при их массовом внедрении^[16]. Отмечается что вертикальные фермы не загрязняют сточные воды и не требуют применения пестицидов, не приводят к эрозии почв, имеют существенно меньший выброс парниковых газов, таких как метан, азот и двуокись углерода^[16]. Полный контроль над процессом производства в т.ч. гигиенический контроль, сводит к минимуму вероятность патогенного загрязнения продукции и улучшает однородность, питательную ценность, вкус и срок хранения продукта^[17].

На вертикальной ферме, благодаря контролируемому микроклимату и использованию замкнутого цикла ирригации значительно снижено потребление воды^[16], что делает этот метод производства предпочтительным в регионах с ее дефицитом.

По мнению эколога и телеведущего сэра Дэвида Аттенборо, высказанного им в фильме Жизнь на нашей планете следует переносить производство растительной пищи в помещения внутри городов с целью сохранения биоразнообразия и вклада в устойчивое развитие на фоне роста населения планеты.

По мнению Диксона Деспомье каждая единица площади выращивания на вертикальной ферме позволит освободить от 10 до 20 единиц земли той же площади в настоящее время занятой под сельское хозяйство^[18].

Вертикальные фермы обычно строятся в городах или в непосредственной близости от них, что позволяет максимально сократить время между сбором урожая и его продажей. Продукция вертикальных ферм, таким образом, может быть получена массовым потребителем на пике спелости^[19], и исключает необходимость дозаривания, обработки этиленом или другими химреагентами, как это обыкновенно происходит в случае с массовой продукцией растениеводства^[20]. Предполагается, что такой подход способен решить проблему «безвкусных» продуктов промышленного растениеводства, обеспечив массового потребителя овощами полностью зрелыми, а не на стадиях «съемной», «технической» или «потребительской» спелости^[21].

Невероятно эффективное использование площади, как основное достоинство, противопоставляется высокому энергопотреблению, как основному недостатку вертикальных ферм. Отмечается, что производство на вертикальной ферме приблизительно в десять раз более эффективно, чем в теплицах и в сто раз более эффективно, чем в открытом поле^[22], но высокие энергозатраты^[23][24] вертикального земледелия осложняют его конкуренцию с земледелием традиционным^[25][26].

Пропоненты вертикальных ферм ссылаются на закон Хайтса, согласно которому падение стоимости светодиодного люмена пропорционально росту его эффективности. Количество фотосинтетически активной радиации современных фитоламп за десятилетний период c 2008-го по 2018 год выросло более чем в три раза^[27]. При этом цены на осветительное оборудование на основе светодиодов продолжают снижаться. Согласно отчету Европейской комиссии^[28] рынок фитоосвещения в ближайшие годы будет существенно расти на фоне перехода от «эры теплиц» к «эре вертикальных ферм»^[28].

Другие исследователи считают, что относительная экономическая рентабельность вертикальных ферм напрямую зависит от климатических условий, в которых расположены сравниваемые агропроизводства, и предпринимают попытки обозначить географические регионы в которых замена тепличного производства на вертикальную ферму оправдана^[29]. Однако детального сравнения затрат, которое бы включало операционные и транспортные, затраты на отопление и освещение, стоимость удобрений и средств обработки защиты растений и почвы, технического обслуживания, утилизации и переработки расходных материалов с учетом использования энергии как возобновляемых, так и не возобновляемых ресурсов, и возможности их рекуперации, на данный момент не проводилось^[9][22].