Gübre İçerikli Polimerler ile Uzay Tarımından Gemi Tarımına Kadar Bitki Üretimi
İnsanlığın yeni dünya arayışı hızla devam ederken dünya dışı bölgelerde insanların yaşayabilmesi için en önemli parametrelerden bir tanesi suyun bulunmasıdır. İnsanlar dünya dışı bölgelerde araştırma yaparken bu süreç zarfında araştırma yapan insanların en önemli problemlerinden biri besin kaynaklarına ulaşmaktır.
Dünya dışında araştırma yapan astronotlar ve bilim insanları uzun süreler boyunca su, hava ve besin gibi en temel ihtiyaçlarını karşılayabilmek için yeni yollar geliştirmektedir. İşte topraksız tarım kavramı aslında ilk zamanlarda uzay tarımı diye bilinen ve yer çekimi olmayan, su kıtlığı yaşanan bölgelerde kullanım imkanı sunan yeni bir teknolojidir.
Yerçekiminin olmadığı ortamda, dünya dışı bölgelerde üretim yapabilmek, besin kaynağı
sağlayabilmek ve beslenmek için gerekli kaynakları üretebilmek amacıyla topraksız tarım teknolojileri yeni imkanlar sunmaktadır. Burada en büyük problem yerçekimi olmamasından dolayı topraksız tarımda kullanılan suyun stabil tutulamamasıdır.
İşte bu problemi çözebilecek en önemli materyallerden bir tanesi su tutma kapasitesi çok fazla olan polimerik malzemelerdir. Polimerik malzemeler tekrarlayan birimlerden oluşan ve moleküler olarak çoklu birimler içeren uzun zincirli yapılardır. Polimerik malzemeler kullanım alanı olarak teflon tencereden, izolasyon amacı ile kullanılan materyallere, plastik ürünlere,
medikal malzemelere, telefon kılıflarına kadar çok farklı sektörlerde üretilmekte ve kullanılmaktadır.
Polimerik malzemeleri laboratuvarda faydalı olabilecekleri, doğaya, insana yararı dokunabilecek formlarda geliştirmeye ve bu alanda Ar-Ge yapmaya çalışıyoruz. Özellikle doğada biriken kirliliğe sebebiyet veren plastikler ve bunların polimer içeriğinde oldukları düşünülürse, bunun aksine faydalı olabilecek sağlık alanında tanı ve tedavide kullanılabilecek, ekolojik katkısı olabilecek ürünler ortaya çıkarak şekilde geliştirmek
istiyoruz. İşte bu amaçla çıkılan yolculukla elde etmiş olduğumuz veriler ve deneyimler sayesinde doğa için besin içeriği taşıyan plastik nitelikli polimerik malzemeler geliştirdik.
Laboratuvarda yaptığımız araştırmalar sonucunda bitkilerin ihtiyaç duyacağı besin komponentlerini içeren ve su tutma kapasitesi oldukça yüksek olan gözenekli polimerik materyaller sentezlenmesi mümkün hale gelmiştir. Bu malzemeler sayesinde filizler materyal ile temas ettiği andan itibaren gerekli besine direkt ulaşabilecek ve ihtiyaç duyduğu nemi ve besini materyalin içerisinden temin edebilecektir. Polimerik diskler
şeklinde sentezlenen ve üretilen gübre içerikli polimerler sayesinde çok az bir su ile bitki yetiştirilebilecektir.
Gübre içerikli polimerik malzeme topraksız tarım sistemlerinde sepetlerin içerisine yerleştirildikten sonra suyla temas ettiğinde şişerek bitkinin ihtiyaç duyacağı besinin kısım kısım dışarıya verilmesini ve bitkinin beslenmesi için gerekli besin maddelerini alabilmesini sağlamaktadır.
Bu özelliği ile birlikte kullanım alanı daha da büyük çerçevede düşünülebilir. Örneğin çok uzun süre seyahat etmek zorunda kalan yat, tekne, gemi tarzı deniz seyahati yapılan alanlar için topraksız tarım sistemleri ve gübre içerikli polimerik malzemeler oldukça kıymetlidir.
Bu alanlarda topraksız tarım ürünleri ve geliştirilen gübre içerikli polimerik materyal sayesinde kişiler seyahat süreleri boyunca istedikleri çeşitli bitkisel kaynağa ulaşabilecek ve üretim yapabileceklerdir. Hatta bazı büyük yatlarda bahçe havası katmak için çim alanlar tasarlanmaktadır. Bu alanlar dahi iki teknolojinin birleştirilmesi ile üç günde çimlendirilmektedir.
Literatüre bakıldığı zaman uzay tarımı alanında geliştirilen hidroponik sistemler olarak bahsi geçen ve toprak içermeyen tarım teknolojilerinde yer çekiminin olmayışı diğer uzay yaşamı koşullarında olduğu gibi en büyük problemlerden bir tanesidir.
Bu nedenle topraksız tarım sistemlerinde suyun idareli kullanımı, enerjetik olarak tasarruflu bir ürün olan topraksız tarım sistemleri sayesinde uzay araştırmaları yapan kişilere besin ihtiyacı sağlamanın yanında uzayda yaşam koşulları araştırılmaktadır. Uzayda yaşam koşulları içerisinde en büyük problemler arasında su ve oksijenin olmayışı da yer almaktadır.
Topraksız tarım sayesinde bitki yetiştirilmesi yolu ile oksijen temini sağlanabilmekte ve suyun %95 oranında verimli kullanımı ile stoklar idareli tüketilebilmektedir. Uzay yaşamında problem olan yer çekimi konusu ise topraksız tarım sistemlerinde de mevcuttur. Bu problem araştırmacılar tarafından kapalı devre suyun nakli ile çözülmektedir.
Bu sayede uzayda kapalı devre sistemler ile tarım yapılabilmekte ve bitki yetiştirilebilmektedir. Normalde uzay yolculuğunda veya araştırma programlarında uzun süre gıda ihtiyacını karşılamak için yüklü stoklarla seyahate çıkılmaktadır.
Tıpkı yat ve tekne yolculuklarında olduğu gibi ve gıda takviyeleri ile seyahat sürdürülmektedir. Laboratuvar ortamında geliştirilen gübre içerikli polimerik malzeme sayesinde topraksız tarım sektöründe kullanılan elyaf ve sünger gibi yapılar devreden çıkarılarak geliştirilmiş gübre içerikli polimerik malzemeler bundan sonra kullanılabilecektir.
Peki bu durum ne gibi faydalar sağlayacak ve günümüz riskleri neler, onlara nasıl bir
çözüm sunacak gelin bunlara bir göz atalım. Dünya nüfusunun son 100 yıl içerisinde 3,8 kat
arttığı ve küresel iklim krizi ile toprak verimliliğinin azaldığı şu günlerde 2050 yılında global
büyüklükte su krizleri beklenmektedir. Topraksız tarım sistemleri ile 2,5 kat daha hızlı % 95 su verimliliği sağlayan ve iklim koşullarından etkilenmeyen bir sistemden bahsediyoruz.
Küresel çapta topraksız tarım üretimlerinin 1,56 milyondan 3,04 milyona çıkacağı öngörülmektedir. İşte bu sistemde kullanılacak ve bitkiler tarafından besin olarak kullanılabilecek bir polimerik materyal söz konusudur. Dikey olarak tasarlanabilen bu
sistemler ile modüler sistemle 30 kata kadar raf kullanılabilmekte ve bu durum küçük alanlarda bile ciddi üretimler yapabilme imkanı sunmaktadır.
Sensörler ile desteklenen bu sistemde besin, nem, sıcaklık ihtiyaçları hızlıca tespit edilebilmekte ve tamamen otomatize sistem ile uzaktan kontrol edilebilmektedir. Bu sistemsel veriler IoT teknolojisi sayesinde kişilerin cep telefonlarına bilgi olarak gelebilmekte ve Endüstri 4.0 ile sisteme müdahale edebilmektedirler.
Normalde topraksız tarım %95’e kadar su verimliliği sağlayan bir sisteme sahiptir ancak laboratuvarda geliştirdiğimiz bu gübre içerikli polimerik malzemeler su tutma kapasitesi sayesinde normal boyutlarının neredeyse iki katına kadar şişebilmektedir ve büyüyebilmektedir bu özelliğinden dolayı %95 su verimliliğine sahip olan topraksız tarım sistemi ile kullanılacak olan bu gübre içerikli polimerik malzemelerle daha büyük verimlilik sunabilecektir.
Bunun yanında topraksız tarımda toprak olmadığı için herhangi bir haşere söz konusu değildir bu da zirai ilaç kullanmadan tarım yapabilme imkanı vermektedir. Ortamda sadece bitkinin ihtiyaç duyacağı besin maddeleri bulunmaktadır. Bizim laboratuvarda geliştirilmiş
olduğumuz gübre içerikli polimerik materyal sayesinde bitkinin ihtiyaç duyacağı bütün besin
maddeleri bu polimer malzemenin içerisinde yer almaktadır.
Böylece sarsıntı, haşere, suyun yokluğu veya üretim yapılan yer önemini kaybetmektedir.
Geliştirilen teknoloji, topraksız tarım sistemlerinin üretimi ve gübre içerikli polimerlerin birleştirilmesi yolu ile besin kaynağına her nerede ihtiyaç duyulursa duyulsun üretebilme imkanının yanı sıra, bunu doğaya faydalı, verimli ve katkısız şekilde yapabilme imkanı sunmaktadır.
Bu teknoloji, uzun seyahatlerde kişilerin kendi ihtiyaç duydukları bitkisel kaynaklı ürünleri gübre içerikli polimerik materyali de kullanarak daha pratik, daha verimli, dünyaya da faydalı olabilecek şekilde yetiştirebilmelerini sağlamaktadır.
Topraksız tarım sistemlerinde üretilen besin türleri arasında domates, yeşil soğan, havuç, patlıcan, brokoli, maydanoz, marul, roka, salatalık, çilek gibi en yaygın tüketimi olan ürün grupları dışında yaklaşık 190 tür bulunmaktadır. Bitki içeriklerinin dikey kurulan sistemlerde besine ulaşması için kapalı devre olarak su dolaşması sağlanması yolu ile bitki besini suyun içerisinde transfer edilmektedir.
Gübre içerikli polimerik materyallerin kullanıldığı aşamada ise tohum gübre içerikli polimerik materyalin içerisine yerleştirilmekte ve çimlenme aşamasından sonra bitki besinini direkt gübre içerikli materyale temas ederek sağlamaktadır. Böylece sistem besine ulaştıktan sonra aktif hale gelerek fotosentez yapamaya başlamakta ve büyüme süreci hızla gerçekleşmektedir.
Kurulum sürecine bakacak olursak dikey veya yatay sistemlerde ilk olarak tohum gübre içerikli polimerik materyal içerisinde yerleştirilmekte ve nemli karanlık ortamda çimlenme süreci başlamaktadır. Çimlenme sürecinin akabinde ışık sistemi devreye sokularak fotosentez süreci başlamakta ve bitki büyümesi gerçekleşmektedir.
Bu aşamadan sonra bitkiler su içerisinde yer alan besine ulaşarak büyümelerine devam etmektedirler. Bu teknoloji uzay tarımında kapalı devre sistemler suyun transferi ve besin içeriğinin transferi şeklinde gerçekleşmektedir.
Benzer koşullar yat alanında olduğu için suyun açık sistemde hareketi çok tercih edilmemektedir ve kapalı devre sistemle ve gübre içerikli polimerik materyal ile besine ulaşma süreçleri tamamlanabilecektir. Denizde oluşan sarsıntılar nedeniyle topraksız tarım sistemlerinde yer alan suyun hareketi ve taşmalar gübre içerikli polimerik materyal ile önlenecektir ve tıpkı uzay tarımında olduğu gibi kapalı devre sistemler sayesinde daha
konforlu ve verimli bir şekilde istenilen bitkisel kaynak üretilebilecektir.
Referanslar
• Kitaya, Y., Hirai, H., Wei, X., Islam, A. F. M. S., & Yamamoto, M. (2008). Growth of sweetpotato cultured in the newly designed hydroponic system for space farming. Advances in Space Research, 41(5), 730-735.
• Monje, O., Stutte, G. W., Goins, G. D., Porterfield, D. M., & Bingham, G. E. (2003). Farming in space: environmental and biophysical concerns. Advances in Space Research, 31(1), 151-167.
• Shrivastava, A., Nayak, C. K., Dilip, R., Samal, S. R., Rout, S., & Ashfaque, S. M. (2023). Automatic robotic system design and development for vertical hydroponic farming using IoT and big data analysis. Materials Today: Proceedings, 80, 3546-3553.
• Son, J. E., Kim, H. J., & Ahn, T. I. (2020). Hydroponic systems. In Plant factory (pp. 273-283). Academic Press.
• Bakhtar, N., Chhabria, V., Chougle, I., Vidhrani, H., & Hande, R. (2018, December). IoT based hydroponic farm. In 2018 International Conference on Smart Systems and Inventive Technology (ICSSIT) (pp. 205-209). IEEE.
• Khan, S., Purohit, A., & Vadsaria, N. (2020). Hydroponics: Current and future state of the art in farming. Journal of Plant Nutrition, 44(10), 1515-1538.
• Devassine, M., Henry, F., Guerin, P., & Briand, X. (2002). Coating of fertilizers by degradable polymers. International Journal of Pharmaceutics, 242(1-2), 399-404.
• Global Hydroponics Market Size By Type (Aggregate Systems, Liquid Systems), By Crop Type (Vegetables, Fruits, Flowers), By Equipment (HVAC, LED Grow Lights, Irrigation Systems), By Geographic Scope And Forecast
Dr. Öğr. Üyesi Ceren Türkcan
Biyomedikal Mühendisliği
Mühendislik-Mimarlık Fakültesi
İstanbul Arel Üniversitesi
