การควบคุมสารอาหารสำหรับปลูกพืชไร้ดินโดยไม่ใช้กลไกเชิงกลสำหรับการประยุกต์ใช้ในการปลูกพืชบนอวกาศ

ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

กรภัทร์ ศิริอนันตภัทร์, อัครวินท์ ลิ้มพรรัตน์, สุวิจักขณ์ เบญจสัตย์กุล

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

วีรวุฒิ เทียนขาว

โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์

ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พ.ศ. 2564

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

เนื่องจากปัจจุบันการปลูกพืชในดินก่อให้เกิดปัญหามากมาย เช่น โรคพืชที่เกิดจากเชื้อรา และแบคทีเรียในดิน ปัญหาสารเคมีปนเปื้อนในดิน เป็นต้น และในปัจจุบันยังมีปัญหาการจัดการพื้นที่ทำการเกษตรที่มีจำนวนน้อยลง วิธีหนึ่งในการแก้ปัญหา คือ การปลูกพืชแบบไร้ดิน หรือ hydroponic farming system โดยการปลูกพืชแบบไร้ดิน จะมีการใช้น้ำและโครงสร้างหรือตัวกลางให้พืชยึดเกาะ ซึ่งน้ำจะประกอบไปด้วยสารอาหารที่พืชต้องการ

รูปแบบที่ง่ายและนิยมสำหรับการปลูกพืชแบบไร้ดิน คือ Deep Water Culture (DWC) หรือการเติมสารอาหารลงไปในน้ำที่ใช้ปลูกสู่รากพืชโดยตรง แต่เมื่อผ่านไปเมื่อพืชใช้สารอาหารไปเรื่อยๆ ทำให้ความเข้มข้นของสารอาหารในระบบลดน้อยลง ดังนั้นสิ่งที่สำคัญคือระบบนี้จำเป็นจะต้องควบคุมปริมาณสารอาหารให้เพียงพอต่อการเจริญเติบโตของพืชตลอดเวลา เพื่อให้พืชเจริญเติบโตได้ดี (Abou-Hadid A F และคณะ, 1996)

ได้มีผู้เสนอการแก้ปัญหาปริมาณสารอาหารในระบบ DWC ไม่คงที่ โดยการใช้ระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ร่วมกับระบบตรวจวัดสารอาหารและปล่อยสารอาหาร มีขั้นตอนการทำงานคือ เซ็นเซอร์จะตรวจวัดปริมาณสารอาหารในระบบเมื่อสัญญาณรายงานว่ามีสารอาหารน้อยลง จะสั่งการให้ปั๊มดูดสารอาหารมาเติมเข้าในระบบจนว่าจะมีความเข้มข้นที่เหมาะสมระบบก็จะหยุดการเติมสารอาหาร (A Nursyahid และคณะ 2021)

ถ่านกัมมันต์ (activated carbon) เป็นโครงสร้างคาร์บอนที่มีพื้นที่ผิวสูงและมีปริมาตรรูพรุนมาก โดยถ่านกัมมันต์สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบหลากหลายคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เช่น วัสดุชีวมวล ได้แก่ กะลามะพร้าว ขี้เลื่อยไม้ ฟางข้าว ซังข้าวโพด เปลือกถั่วลิสง เปลือกถั่วอัลมอนต์ เป็นต้น เป็นวัตถุดิบในการเตรียมถ่านกัมมันต์ ซึ่งในกระบวนการเตรียมถ่านกัมมันต์นั้น สามารถทําได้ 2 วิธี คือ วิธีการกระตุ้นทางเคมี (chemical activation) และวิธีการกระตุ้นทางภายภาพ (physical activation) สําหรับวิธีการกระตุ้นทางเคมีเป็นการใช้สารเคมี เช่น ซิงค์คลอไรด์ กรดฟอสฟอริก หรือ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เป็นสารกระตุ้น (activating agent) ส่วนการ กระตุ้นทางกายภาพ ใช้แก็สคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นตัวกระตุ้น (ยุวรัตน์ และคณะ 2020)

การเคลื่อนที่ของไออนในวัสดุที่มีรูพรุน เมื่อไอออนเคลื่อนที่เข้าในวัสดุรูพรุนจะไม่ได้เกิดการหยุดเคลื่อนที่โดยสิ้นเชิง ซึ่งการเคลื่อนที่ของไออนนั้นจะพิจารณาจากความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณไอออนที่ถูกดูดติดบนพื้นผิวรูพรุนวัสดุเทียบกับปริมาณไอออนในของเหลว โดยค่าเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของไออน เรียกว่า diffusion coefficient สัดส่วนการกระจายตัวของไอออนในสารละลายกับการดูดติดบนพื้นผิวรูพรุนวัสดุขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ชนิดของไอออน สมบัติของวัสดุรูพรุน ความเข้มข้นของไอออน เป็นต้น (Ohlsson, 2001)

การนำไฟฟ้าของสารละลาย สารละลายที่นำไฟฟ้าได้เรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (Electrolytic solution) เช่น สารละลายโซเดียมคลอไรด์ สารละลายกรดอะซิติก เป็นต้น การที่สารละลายอิเล็กโทรไลต์ นำไฟฟ้าได้ เพราะในสารละลายมีไอออนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไอออนบวก และไอออนลบ เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า ไอออนบวกจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ และ ไอออนลบจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวก ไอออนบวกที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบจะไปรับประจุลบหรืออิเล็กตรอน ส่วนไอออนลบที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกจะเป็นตัวพาประจุลบไปให้ขั้วไฟฟ้า ไหลวนเวียนกันอยู่ในสารละลาย จึงก่อให้เกิดการนำไฟฟ้าขึ้น และหลัก

การการเคลื่อนที่ของไอออนไปยังขั้วที่มีประจุตรงกันข้ามภายใต้ความต่างศักย์ไฟฟ้า สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการแยกสารที่มีประจุได้ เช่น การแยกโปรตีนโดยวิธีเจลอิเลคโตรโฟรีซีส

การปลูกพืชเเบบไฮโดรโปนิกส์ ซึ่งในกระบวกการปลูกพืชเเบบไฮโดรโปนิกส์ที่เราใช้คือแบบ Deep Water Culture จะมีการให้อาหารเเก่พืชโดยใส่สารละลายธาตุอาหารลงไปในระบบทั้งหมดซึ่งจะมีเกิดปัญหาสารละลายสารอาหารน้อยเกินทำให้พืชไม่สามารถดูดซึมสารอาหารได้ หรือ สารละลายสารอาหารมากเกินจะทำให้พืชตาย แต่การควบคุมความเข้มข้นสารอาหารด้วยไมโครคอนโทรเลอร์ร่วมกับกลไกการปล่อยสารนั้นต้องมีอุปกรณ์เสริมเพิ่มเติมขึ้นมา โดยเฉพาะปั๊มและแหล่งกักเก็บสารอาหารภายนอก นอกจากจะมีอุปกรณ์เพิ่มเติมขึ้นมาแล้วหากเกิดความผิดพลาดในการทำงานอาจทำให้พืชขาดสารอาหารจนไม่ให้ผลผลิตหรือตายได้

คณะผู้จัดทำจึงได้คิดวิธีแก้ปัญหาโดยใช้กระบวนการควบคุมความเข้มข้นของสารอาหารด้วยการดึงดูดประจุด้วยความต่างศักย์ไฟฟ้ามากักเก็บไว้ในรูพรุนของถ่านกัมมันต์ และควบคุมด้วยแผงวงจรในการควบคุมศักย์ไฟฟ้าเพื่อควบคุมการดูดติดและปล่อยไอออนธาตุต่าง ๆ ออกมาจากขั้วถ่านกัมมันต์เพื่อให้พืชได้รับสารอาหารที่พอดีได้