JPH0372817A - 孤立生活空間における植物栽培装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は植物栽培システムに関し、詳しくは原子力潜水
艦内生活空間、炭酸ガスおよび酸素等のガスや水および
養分が制御されて供給されるバイオテクノロジーを用い
た植物栽培空間、宇宙ステーション内生活空間、人工衛
生内生活空間、月面上生活空間等のように、地上におけ
る通常の生活空間から長期にわたって隔離された孤立空
間における植物栽培システムに関するものである。

（従来の技術） 原子力潜水艦内生活空間等における孤立生活空間におい
て、長期にわたって地上の大気から隔離されて生命を維
持するためには、水、食糧、酸素を自給できるようにし
なければならない。このような孤立生活空間において、
植物を栽培し食糧を得るシステムは、酸素−炭酸ガス交
換、排泄物−水分・養分交換の観点から有利であるため
、世界各国で研究されている。

他方、特開昭６０−９４０３５号公報に１例が示される
ように、人工光源を用いて植物を栽培する装置が研究さ
れている。上記公報記載の従来例は人工光源を軸心とす
る円筒面に栽培床を配したものである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は原子力潜水艦内生活空間、バイオテクノロジー
を用いた畝上の植物栽培空間、或いは宇宙ステーション
や月面上生活空間等の無重力又は小重力の状態にある孤
立生活空間に適する植物栽培システムを提供することを
主目的として開発されたものである。

このような空間においては、次のような条件を充足する
植物栽培システムが要請される。

■　植物の順調な生育が確保されること。特に無重力又
は小重力の状態にあるにもかかわらず、植物の先細性に
よって一定方向に植物が生長すること。

■　エネルギー源である人工光源用電力及び栽培床を配
置するための空間は共に非常に貴重であるので、人工光
源の光の有効利用、Ｃｏ２施肥技術の導入及び高密度栽
培が可能であること。

ところで、地上用の通常の植物栽培装置として開発され
た上記特開昭６０−９４０３５号公報記載の装置を、上
記のような孤立生活空間において用いたとしても、上記
の、■の条件を充足することはできない。すなわち、こ
の従来例においては、炭酸ガスおよび酸素等のガスや水
および養分の植物栽培床への供給方法および供給手段と
、植物の生長方向を決定する反重力趨性及び先細性につ
いては何ら配慮されていす、また植物を一定方向に生長
させしかもＣｏ１施肥技術を用いて短期間に収穫可能と
するような技術手段も全く開示されていないからである
。なお、栽培床を支持する円筒体を常時回転させ、その
際に生ずる遠心力を植物に感知させて、遠心力と反対の
方向に植物を生長させる研究、すなわち人工的に重力を
作り、反重力趨性によって一定方向に植物を生長させる
研究が上記従来例の他特開昭６２−２９９１５号公報記
載のものにおいても行われているが、この種従来のもの
にあっては装置が複雑になり、このために要するエネル
ギーも大となるため実用化は困難である。

又上記従来の装置は、その人工光源が例えば第５図に示
すように配置されている。具体的には４本の棒状ランプ
ａが小円筒面上に配列されいるが、これら棒状ランプａ
から照射される光の内、外周側すなわち栽培床す側に向
けて照射されるものは有効利用される一方、内周側にむ
けて照射されるものは有効に利用されないという問題が
ある。このように上記従来の装置は人工光源の有効利用
上不利であるという欠点を有しているが、その上円筒面
上に栽培床を配設しているため、植物栽培装置を孤立生
活空間の所定箇所にコンパクトに設置することが困難で
あるという問題も有している。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するため、人工光源に対面しか
つ保水性を有する栽培床を具備した植物栽培室の内部又
は外部には、炭酸ガスおよび酸素等のガスを供給する手
段と水および養分を供給する手段とを各々直接または配
管等を介して間接的に連設すると共に、前記人工光源に
は、前記栽培床に植込まれる植物に照射する光の光合成
有効光量子束密度（ｐｐｐｏ）が該植物の生長方向を光
に向かう方向に一定させる値以上になるような発光電力
を励起する電源装置を接続してなる孤立生活空間におけ
る植物栽培システムを構成したことを特徴とする。

そして特に人工光源の有効利用と高密度栽培の観点から
、前記人工光源を一平面上に配すると共に、人工光源の
両側に位置する２つの平面上の夫々に栽培床を配すると
好適である。又この場合、平行に配された複数の棒状ラ
ンプで前記人工光源を構成するとよい。

上記のような植物栽培システムは孤立生活空間内にオー
ブンに構成することも可能であるが、環境条件を植物の
生育に最適となるよう調整するため、孤立生活空間内に
内部の環境が制御される栽培ボックスを配し、この栽培
ボックス内に人工光源及び栽培床を配するようにすると
最適である。

なお、本発明は原子力潜水艦などの内部空間や無重力状
態又は小重力状態にある孤立生活空間において用いられ
る植物栽培システムに適用されると最も効果的ではある
が、その他畝上の孤立空間などの内部空間においての植
物栽培システムとしても適用可能である。

（作　用） 本発明は人工光源から栽培床に照射する光のＰ　Ｐ　Ｆ
　Ｄ　（Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｐｈｏｔｏｎ
　Ｆｌｕｘ　Ｄｅｎｓｉ−ｔｙ）を所定値以上にするべ
く、人工光源には、栽培床に植込まれる植物に照射する
ＰＰＦＤが植物の生長方向を光に向かう方向に一定させ
る値以上になるような発光電力を励起する電源装置を接
続し、人工光源に対面し且つ保水性を有する栽培床から
生育する野菜などの植物に生長方向を与え、植物の順調
な生育を可能にしている。

Ｐ　Ｐ　Ｆ　Ｄ、すなわち光合或有効光量子東密度はク
ロロフィルムが吸収する波長域（４００〜７００ｎｍ）
の光量子密度を意味するが、このＰＰＦＤが所定値以上
になると、植物の有する先細性と呼応して植物の生長方
向を光に向かう方向に一定させ、重力等の他の影響を排
除することが発明者によって解明された。例えばレタス
についてはＰ　Ｐ　Ｆ　Ｄ　２００ｕＥ／ｒｄ／ｓ好ま
しくは３００　ｕ　Ｅ／ｒｒｒ／ｓ以上とすることによ
って、レタスを光に向かう一定方向に順調に生育させる
ことができる。またレタスは、ＣＯ２濃度が６０００ｐ
ｐｍにおいて４１１ｍｇ／ｄｍｚ／ｄａｙの正味光合成
速度（栽培５０日間平均）の試験例があることから植物
栽培室への炭酸ガス供給量の制御を植物の生育に応じて
制御することが望ましい、従って原子力潜水艦などの密
閉空間、苛酷な気象条件地域における生活空間或いは月
面生活空間のように無重力又は小重力状態の孤立生活空
間においても、人工的な重力等を与える必要なしに、植
物を一定方向に順調に生育させることが可能となる。し
かも栽培床は保水性を備えているので、無重力空間等で
あっても水分・養分を確保でき、又人工光源に向けて自
由な位置に栽培床を高密度に配置することができる。　
そして、前記人工光源を一平面上に配すると共に、人工
光源の両側に位置する２つの平面上の夫々に栽培床を配
し、これら栽培床に向は所定値以上のＰＰＰＤの光を照
射する構成とすれば、人工光源の両側力ら照射される光
は夫々有効利用される結果、人工光源用電力の消費を節
減できる。又人工光源、栽培床の全体配置を直方体状に
まとめることが容易であるので、植物栽培システムを孤
立生活空間の適所にコンパクトに設置し易いという利点
がある。

さらに、植物栽培床に光合成反応（ＣＯｚ＋Ｈ！Ｏ＋１
１４にｃａｌ　４ｃＨｚｏ＋ｏｆ）に必要なＣＯ２を植
物の生育に応じて適宜制御しつつ供給することによって
植物の早期量産も容易であるという利点もある。

（実施例） 第１図は原子力潜水艦内生活空間１００においての植物
栽培システムを概念的に示している。

この生活空間１００はガス循環装置１１０１、水浄化再
生循環装置１０２、排泄物処理装置１０３を備え、長期
間自給自足ができるように構想された空間である。この
生活空間１００内において、第１図に示すように、Ｏ，
、ＣＯ，、水、排泄物、食糧（生育植物）等が循環し、
はぼ完全な閉鎖生態系が構成されている。ただし、外部
エネルギーが電源装置１０４（宇宙ステーションや月面
上生活空間では太陽電池）を通じて内部に取り込まてい
る。

植物栽培システムは、人工光源、栽培床等を備えた栽培
ボックス１０５と、栽培ボックス１０５に接続されてそ
の内部空間の環境をコントロールすると共に培養液を供
給するコントロールボックス１０６とから成立している
。栽培ボックス１０５の内部には植物栽培室が形成され
、該植物栽培室に供給する炭酸ガスおよび酸素等のガス
や水および養分は、この実施例では植物栽培室の外部、
即ち植物栽培ボックス１０５の外部の孤立生活空間１０
０内に配設したガス循環装置ｌｏｔ、水浄化再生循環装
置１０２、排泄物処理装置１０３から後述のコントロー
ルボックス１０６および配管３．４．５を介して植物栽
培室内に供給される。このとき、各々の供給量は、植物
栽培室内に設けられた炭酸ガス濃度検出センサー、酸索
漠度検出センサー、養分濃度検出用ＰＨ全センサーから
の各種センサー出力の電気信号をコントロールボックス
１０６にフィードバックし、前記配管３．４．５の適所
に設けた弁（図示せず）をコントロールボックス１０６
からの出力信号に応じて開閉制御することによって適宜
流量制御される。

また、孤立生活空間１００内を植物栽培室の内部とする
ことによって、植物栽培ボックス１０５を省略すること
もできる。コントロールボックス１０６は前記ガス循環
装置１０１、水浄化再生循環装置１０２、排泄物処理袋
Ｗ１０３と接続され、又電源装置１０４と電源制御袋Ｗ
１０７を介して接続されている。人工光源は、電源装置
に接続され、植物栽培室の内部に設けた光の照射量を検
出するセンサーからの電気信号の出力をコントロールボ
ックス１０６にフィードバックすることによって、電源
装置が励起する発光電力を栽培床に植込まれる植物に照
射する光の光合或有効光量子東密度（ＰＰＦＤ）が該植
物生長方向を光に向かう方向に一定させる値以上になる
ように制御している。尚、人工光源の経年劣化に備えて
、予備の人工光源を並設し、これを上記ＰＰＦＤの値の
低下に応じてコントロールボックス１０６から給電点灯
するようにしてもよい。尚、前記各種装置１０１．１０
２．１０３．１０７は個々に研究開発され、夫々が公知
のものであるので説明は省略する。

第２図ないし第４図は上記生活空間１００内に配された
栽培ボックス１０５及びコントロールボックス１０６を
詳細に示している。栽培ボックス１０５は複数の栽培ユ
ニット１からなり、各栽培ユニット１とコントロールボ
ックス１０６とは給気管３、排気管４、給液管５とによ
って接続されている。

各栽培ユニット１は同一構造に形成され、人工光源とし
ての複数本の蛍光灯（棒状のランプの１例）６、これら
蛍光灯６の両側方に配置された栽培床７、培養液を栽培
床７に分配して与える培養液配給手段８、及びこれらを
収容するキャビネット９から成り立っている。

キャビネット９は高さ２ｍ、奥行き２ｍ、横幅１ｍの直
方体形状に形成され（従って、横幅が最小となる直方体
形状である。）、左外箱９１、右外箱９ｒ、蛍光灯支持
枠９Ｃの３つのキャビネット構成エレメントから構成さ
れる。左外箱９１と右外箱９ｒとは対称形状に形成され
、周外箱９１でキャビネット外装体となり、その内部に
前記蛍光灯支持枠９Ｃが収容される。

蛍光灯支持枠９Ｃはキャビネット９内の空間の中央に位
置し、その横断面の大部分を覆う矩形枠に形成されてい
る。そしてこの支持枠９Ｃには複数本の蛍光灯６が等間
隔に配設支持されている。又この支持枠９Ｃは第４図に
示すように後部が枢軸１０ａによって枢支されており、
枢軸１０ａを中心として左右に回動できるようになつい
る。

左右の外箱９１．９ｒの夫々の前面板１１は透明ガラス
窓１２を有してキャビネット９の内部観察が可能なよう
になっており、又ＣＯｚ濃度表示盤、０２濃度表示盤、
温度表示盤、湿度表示盤などを備えている。この前面板
１１は第４図に仮想線で示すように前方に開くことがで
きる。

又左右の外箱９４！、９ｒの夫々の側板１３の内面全域
には、ロックウールからなる栽培床７が配設されいる。

ロックウールは保水性を備え、培養液を長時間保持する
と共に、植物の根の発育に好適である。左右の外箱９１
．９ｒは後面板１５どうしを前記枢軸１０ａを備えたヒ
ンジ１０で結合され、前記枢軸１０ａを中心にして左右
に開くように構成されている。更に左右の外箱９１．９
ｒの頂板１６及び底板１７には、前記給気管３、給液管
５及び排気管４の夫々の栽培ユニット１に対する分岐管
部が接続されている。

各栽培ユニット１は第２図に示すように左右方向に重ね
合わされるように配置されると共に左右方向に移動可能
に案内支持されている。このため、各栽培ユニット１の
背面に沿って左右方向に延びる左右１対のガイドレール
１８が配設されている。又各栽培ユニット１の左右の外
箱９Ｉｌ、９ｒの後面板１５の夫々の外端には前記ガイ
ドレール１８上をこれに支持されて転勤するガイドロー
ラ１９が取付けられている。

各栽培ユニット１は閉じられた状態において、互いに接
するようにして配置されるので、占空間を少くして、多
量の植物を栽培することができる。そして成る栽培ユニ
ット１を開放状態にして、植苗作業や収穫作業を行うと
きは、その栽培ユニット１の開放を可能とするために移
動させなければならない他の栽培ユニット１をガイドレ
ール１８に沿って移動させ、次いで第２図及び第４図に
示すように左右の外箱９Ｉ！、、９ｒを開放すればよい
。なお、前記蛍光灯支持枠９ｃを回動可能な構造として
いるのは、例えば左の外箱９ｆ！の植物Ａを収穫すると
きにおいて、蛍光灯支持枠９Ｃを第４図に仮想線で　示
す位置に退避させて、収穫作業を容易に行わせるためで
ある。勿論、栽培ユニット１が閉状態のとき、前記蛍光
灯支持枠９Ｃは栽培ユニット１の中央に位置しているこ
とが好ましく、このための位置規定手段（図示省略）を
設けることが好ましい。

前記コントロールボックス１０６は、培養液供給装置と
環境ガス調整装置を内蔵している。このコントロールボ
ックス１０６も栽培ユニット１と略同じ大きさの直方体
に形成され、端に位置する栽培ユニット１に隣接するよ
うに配置されている。培養液供給装置は前記給液管５を
通じて各栽培ユニット１の培養液配給手段８に接続され
ている。そして培養液供給装置からマイコン制御によっ
て供給時期、供給量が制御された培養液が前記栽培床７
に分配される。第３図に示す例は培養液配給手段８が重
力の有無に係らず使用可能な噴霧方式によるものである
が、他に重力が作用する空間において本発明を実施する
場合は、滴下方式のものなどを採用することができる。

これによって適切な時期に適量の水分、栄養分が植物に
付与される。

尚、無重力の孤立生活空間では、噴霧滴や植物の枯葉等
が浮遊物として空間を慣性で漂うため、これら浮遊物を
バキュームポンプ等で吸引し、フィルターに付着収集さ
せる装置を植物栽培ボックス１０５に付設することが好
ましい。

前記環境ガス調整装置は、温度調整機能、湿度調整機能
、ＣＯ□濃度調整機能、０□濃度調整機能、風速調整機
能のすべての機能を備えている。そして、環境ガス調整
装置は前記給気管３を通じて各栽培ユニット１に温度、
湿度、ＣＯ２濃度、０２濃度、風速が調整されたガスを
植物の種類および生育に応じて適量・適時供給する。殊
にＣＯ２ガスは地上の大気中の含有量より多く供給する
。例えば、ハツカダイコンやコカブではＣＯ□濃度を各
々２０００ｐｐｍ　、９０００ｐｐｍにすることが好ま
しい。又各栽培ユニット１内のガスは前記排気管４を通
じて環境ガス調整装置に戻され、そこで一部はガス循環
装置１０１との間でガス交換され、残りは調整されて再
使用される。温度等の調整は、各栽培ユニット１内に配
した温度センサ、湿度センサ、ＣＯ２濃度センサ、０２
濃度センサから発信される信号に基き、これとの比較の
上でマイコンによる制御が駆使されて行われる。

図示する例では、給気管３、排気管４、給液管５のいず
れもが本管部とこれから分岐して各栽培ユニット１に接
続される分岐管部とからなり、栽培ユニット１を増設す
るとき、必要に応じて分岐管部を本管部に接続するだけ
でよい構成となっている。分岐管部は長さに余裕のある
フレキシブルチューブで構成され、栽培ユニット１の移
動や開閉動に追随できるようになっている。この例は、
各栽培ユニット１の内部環境が共通でよい場合に適して
いる。もし多品種植物栽培を行う場合には、各栽培ユニ
ット１の培養液・雰囲気ガスの諸条件を個々に調整する
必要があるので、各栽培ユニット１とコントロールボッ
クス２との配管を個別配管とすると良い。

なお、コントロールボックス１０６は電源制御装置１０
７から電力供給を受け、これに基き前記蛍光灯６の照明
時間、照度などの調整を行う機能も有している。

各栽培ユニット１は、キャビネット１内の中央における
一平面上に複数の蛍光灯６が並設され、その両側に位置
する２つの平面上の夫々に保水性を供えた栽培床７を配
設した構造となっており、蛍光灯６の光を効率的に用い
ることができる。そして栽培床７に植えられた植物Ａは
、ＰＰＦＤが所定値以上の光を照射されることにより、
その光の方向に向いて順調に生長する。

例えばレタスの栽培において、蛍光灯６と栽培床７との
距離が２３ＣＩ！１、蛍光灯６を常時点灯させた条件下
において、ＰＰＦＤが２００μＥ／ボ／Ｓの光、好まし
くはＰＰＦＤが３００μＥ／ボ／Ｓの光を照射すること
により、レタスを光の方向に向は順調に生長させること
ができる。このように蛍光灯６の光量を成る値以上とす
ることにより、植物Ａを栽培床７と直角の方向に生長さ
せることが可能である。

蛍光灯６としては、３波長域発光形蛍光灯（ドし−ＥＸ
）　、昼光色蛍光灯（ＰＬ−Ｄ）、植物用蛍光灯（ＦＬ
−ＰＧ）などがあり、いずれを用いてもよいが、ＰＰＦ
Ｄとの関係ではＰＬ−ＥＸが効率が良い。なお上記側で
は人工光源として蛍光灯６を用いたが、この外高圧ナト
リウムランプ、メタルハライドランプなどを用いること
ができる。

前記栽培ユニッ）１は、これ単独でも植物栽培ボックス
１０５として用いることができる。その際上記の例のよ
うに外部に配置されたコントロールボックス１０６など
と管を介して接続して、培養液供給等を行うようにして
もよいが、これらをキャビネット９内に組込むことも可
能である。或いは滴下方式の培養液供給装置のみを組込
み、他の調整装置を省略した開放タイプの簡易植物栽培
装置とすることも可能である。

本発明の植物栽培システムは上記実施例に示す原子力潜
水艦内生活空間の場合の他、畝上の孤立空間やその他北
極や南極等の苛酷な気象条件地域に設営される孤立生活
空間において適用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば、無重力又は小重力の状態にかかわらず
、植物の先細性が助長された状態で、その順調な早期生
育を可能とする孤立生活空間における植物栽培システム
を提供することができる。

又本発明によれば、人工光源の光を有効利用できると共
に高密度栽培が可能な孤立生活空間における植物栽培シ
ステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図はそ
の具体的装置を示す斜視図、第３図は栽培ボックスの横
断面図、第４図はその縦断平面図、第５図は従来例の斜
視図である。 ６・・・−・ ７−・・・ １００・− １０４−・− ０５ ・−・・−・・・−・人工光源 ・−一−−−・栽培床 ・・・−・・・孤立生活空間 ・−・・−電源装置 ・・−・−・・−・−・栽培ボックス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）人工光源に対面しかつ保水性を有する栽培床を具
   備した植物栽培室の内部又は外部には、炭酸ガスおよび
   酸素等のガスを供給する手段と水および養分を供給する
   手段とを各々直接または配管等を介して間接的に連設す
   ると共に、前記人工光源には、前記栽培床に植込まれる
   植物に照射する光の光合成有効光量子束密度（ＰＰＦＤ
   ）が該植物の生長方向を光に向かう方向に一定させる値
   以上になるような発光電力を励起する電源装置を接続し
   てなる孤立生活空間における植物栽培システム。