Воздушное орошение почв

Номинация: Самая актуальная работа
Просмотреть картинки списком
Автор: Ключников Максим Маратович. . Наставник: Мажник Анатолий Павлович
Город: Краснодар
Место учебы: НЧОУ " Лицей ИСТЭК"

В странах бывшего СССР находится в обороте более 230 миллионов гектаров пашен. А орошаемых земель, дающих гарантированный урожай, всего 18 миллионов гектаров. Интересен факт, что каждый орошаемый гектар в районах, хорошо обеспеченных теплом, дают в 5-6 раз больше урожая, чем в неполивной территории. В этих же странах 250 миллионов песчаных почв и 100 миллионов солончаков, а также десятки горных склонов и низкогорий, фактически непригодных к земледелию. Если обеспечить водой эти районы, то эти почвы могут стать такими же плодородными, как и остальные. Однако на эти районы приходится очень маленькая доля речного стока. С другой стороны, большая часть воды содержится не в земле, а в воздухе. Объем всех рек планеты не превышает 1200 км³, в тоже время в атмосфере находится от 13 до 15 тысяч км³ (миллиардов тонн воды) в виде пара. Поэтому имеет смысл не добывать воду из рек, а конденсировать её из водяного пара. При этом может оказаться выгодным использовать возобновляемые источники энергии, в том числе солнечную энергию и энергию ветра.

Теперь обратимся к практическому опыту. Исследуя вопросы, связанные с распределением почвенной влаги, большинство ученых опираются на теорию А. Роде. Согласно этой теории, основное пополнение почвенных вод происходит за счет выпадения осадков. Роль же парообразной влаги ничтожно мала. Получается, что водяной пар лишен всех "прав" и свойств газа в обход закона Дальтона о парциальных давлениях газов.

Согласно законам физики, если подкачивать воздух из атмосферы к уровню грунтовых вод или пропускать тёплый атмосферный воздух через слой грунтовых вод, то за счет разности температуры земли и давлений пара на разных уровнях, водяной пар будет конденсироваться, что приведет к увлажнению почвы. Поэтому, закачивая воздух с поверхности земли и пропуская его через грунтовые воды, почва ближе к поверхности начнет охлаждаться, что приведет к конденсации паров воды увлажнению почв.

Известные способы:

1 способ: Уже давно известно, что некоторые растения имеют очень длинную корневую систему (например, кактус). Эти растения способны «доставать» воду с больших глубин. Если в полях делать небольшие «дырки» и засаживать их подобными растениями, то весной эти растения будут обогащать почву влагой, а летом, в засушливые периоды, «качать» воду с больших глубин, недоступных многим культурным растениям.

Зона 1 - культурные растения (например, пшеница).

Зоны 2 - растения «насосы» (например, люцерна или верблюжья колючка). Однако такой способ имеет недостаток: машинам, собирающим урожай, сложнее делать свою работу, так как приходится маневрировать между зелеными зонами. 2 способ: Этот способ использовался ещё Чингисханом в Великом шелковом пути. В целях увеличения полезной нагрузки караванов, инженеры сделали всё, чтобы вьючные животные не тащили на себе огромные запасы питьевой воды. Вдоль пути на расстоянии в 12-15 км друг от друга были созданы колодцы, в каждом из которых имелось воды, в количествах достаточных, чтобы напоить караван в 150 - 200 верблюдов. Об этом свидетельствуют записки арабских путешественников, относящиеся к времени возникновения Халифата (VII в.). В таком колодце вода добывалась непосредственно из атмосферного воздуха, а значит, она была чистая, без примесей. Разумеется, процентное содержание водяных паров в пустынном воздухе крайне незначительно (меньше 0,01% удельного объёма), но благодаря конструкции колодца, через его объём «прокачивался» пустынный воздух тысячами кубометров в сутки, и у каждого такого кубометра отнималась практически вся масса воды, содержащаяся в нём. Так как же он работал?

В конусном своде колодца были выполнены радиальные каналы, прикрытые керамической облицовкой. Нагреваясь под лучами солнца, облицовка передавала часть тепловой энергии воздуху в канале. Возникало конвективное течение нагретого воздуха по каналу. В центральную часть свода вбрасывались струи нагретого воздуха. Ученые до сих пор точно не разобрались, как и почему появлялось вихревое движение внутри здания колодца. Самое первое предположение - ось каналов не совпадала с радиальным направлением. Имелся небольшой угол между осью канала и радиусом свода. Охлаждающий эффект вихря использовался с очень высоким КПД. Конусная груда камней исполняла роль конденсатора. Ниспадающий «холодный» осевой поток вихря отнимал тепло камней, охлаждал их. Водяной пар, содержащийся в ничтожных количествах в каждом удельном объёме воздуха, конденсировался на поверхностях камней, из-за разностей температур в воздухе и на камнях. Таким образом, в углублении колодца шёл постоянный процесс накопления воды. С помощью этого способа можно добывать большие массы воды, используя лишь энергию солнца, и использовать её для полива. Недостатком являются большие капитальные затраты и недостаточная изученность физики процессов.

Предлагаемые решения:

1 способ: Ветряк(1) за счет ветра вырабатывает энергию для работы компрессора(2). Компрессор по скважине(3) нагнетает воздух на уровень грунтовых вод (примерно 20-30 метров). Из-за притока воздуха на уровне грунтовых вод(4) образуется разность давлений водяных паров на разных уровнях. Вследствие чего начинает испаряться вода за счет разности температур воздуха (на поверхности температура 20-30 С, на уровне грунтовых вод 8-10 С), прогоняя водяные пары вверх. К тому же охлажденные водяные пары охлаждают корнеобитаемый слой земли, что способствует дополнительной конденсации имеющейся в почве влаги. Из-за этого и увеличивается содержание влаги у поверхности(5).

2 способ: Ночью контейнер(6) заполняется холодным воздухом через клапан(7). Днем воздух в контейнере нагревается, давление повышается и закрывает клапан(7). При дальнейшем нагреве воздуха, в контейнере возникает повышенное давление, вследствие чего воздух начинает «уходить» в зону пониженного давления, т. е. по скважине(8) к уровню грунтовых вод. Далее всё так же, как и в первом способе. С помощью этих механизмов можно увлажнять почву практически без затрат. У этих способов есть еще одно преимущество над обычным поливом: в пресной воде содержится много солей и прочих минералов, поэтому при активном поливе на полях может образовываться избыток солей, что вредно для растений. А в нашем способе увлажнение почвы происходит за счет конденсации водяных паров, в которых вообще нет солей.

В подтверждение работоспособности идей высказанных в данной работе нами была изготовлена настольная экспериментальная установка. Исследования дали положительный результат.

Выводы:

1.  Существуют способы орошения почв с помощью воздуха, работающие только за счет энергии солнца и ветра. Используя их, можно значительно повысить плодородие почв, и, соответственно, урожайность.

2. Проведенный патентный поиск выявил, что ранее техническое решение с ветряком (1 способ) никем не было запатентовано. Планируем подать заявку на получение патента на полезную модель.