עקרונות של טכנולוגיית הקפאת מים תוספים

עקרונות של טכנולוגיית הקפאת מים תוספים ליצירת מבני גבישי קרח דקים עם קירות ניתוח והשפעת פרמטרי הקרח על העובי והשקיפות של מבנה הקרח המגן לצורך פיתוח מערכות הגנה מפני כפור

תַקצִיר:

ניתוח שינויי האקלים ומעקב אחר מחזור הייצור של ייצור מזון בחוץ ב-5 השנים האחרונות מצביעים על התרחשות של כפור מוקדם באביב כתופעה המשפיעה באופן משמעותי על היבול. תחילת הכפור מביאה לרוב לאובדן היבול המלא לעונה הקרובה, ואפילו ביטוח הסוג אינו מכסה את כל ההפסדים. לכן, יש צורך ליישם אמצעי הגנה אקטיביים ולהפחית את הסיכון לייצור מזון. אמצעי הגנה אחד כזה הוא מערכת ההגנה מפני כפור (גשם), המבוססת על תופעת חריגות המים, כאשר אנרגיה משתחררת במהלך המעבר ממצב נוזלי למוצק של מים. אנרגיה זו משמשת לשמירה על הטמפרטורה של הפרח והפרי הצעיר בטווח של 0 עד 2 מעלות צלזיוס. במהלך הגנה כזו על מטעים, נוצר קרום קרח על הפרח והפרי, שהטמפרטורה שלהם היא 0 מעלות צלזיוס. קרח זה מגן על המטע עם אפקט מחט (מבודד אידיאלי). מערכות הגנה מודרניות מיישמות את הטכנולוגיה של יצירת אוויר רווי מלא (100% לחות יחסית) בתוך המיקרו אקלים המוגן, מה שגורם לחיסכון משמעותי בכמות המים הנדרשת במהלך ההגנה, ובכך מונע אידוי וחיסכון באנרגיה הדרושה לשמירה על גביש קרח דק. מבנים ב-0 מעלות צלזיוס. התקדמות נוספת בטכנולוגיה דורשת מודל דינמי של פעולה של מערכות בעלות עוצמת גשמים משתנה בהתאם לתנאי מזג האוויר הנוכחיים. הסיבה לכך היא הצורך לשמור על המבנה הגבישי של הקרח (קרח שקוף) עם צריכת מים מיטבית לאורך כל הלילה כדי להבטיח הגנה על הפרי מטמפרטורות חיצוניות שליליות. פרמטרים שעלולים להשפיע על מבנה הגבישי של הקרח הם טמפרטורה, לחות, רוח ועוצמת המים הנוטפים בגודל הטיפות. המטרה העיקרית של מחקר זה היא לנתח את ההשפעה של פרמטרים של הקפאת מים על העובי והשקיפות של מבנה הקרח המגן. התוצאות שיתקבלו יהוו בסיס לפיתוח ניהול מתקדם של מערכת הגנה מפני כפור ופיתוח סוגים חדשים של ספרינקלרים בעלי עוצמת גשם משתנה.

מילות מפתח: 

מבודד, גשם, קרח קריסטל, חום סמוי, מערכת הגנה מפני כפור, מים

סקירה של עבודות קודמות:

מערכות השקיה של מי גשמים היו קיימות ב-50 השנים האחרונות בשימוש כמערכות הגנה מפני כפור, אך לא היו זמינות מסחרית ליישום רחב יותר מכיוון שהן בעצמן צרכניות גדולות של מים ואנרגיה. גם יכולות ההובלה והכוח הנדרש להפעלת המערכת (משאבה) אינם נגישים ליצרן המזון הממוצע. מערכות קונבנציונליות להגנה מפני כפור צורכות בממוצע 4 עד 8 ליטר/מ'² מים ומשמשים בעיקר להגנה על מטעי תפוחים ואגסים אינטנסיביים. הסיבה לכך היא שבהקפאת כמות גדולה של מים במשך תקופה ארוכה יותר של עבודה, נוצרת שכבת קרח עבה וכבדה, הגורמת לנזק מכני בתוך המטעים. יש פגיעה מכנית לפרחים ופירות ואפילו סדקים של ענפים בגלל משקל הקרח [1]. מחקר של הספרות לא מצא את הניתוח וההשפעה של מערכות מי גשמים עם 100% לחות יחסית במיקרו אקלים של מטעים. היעילות של מערכת כזו על שטחים גדולים יותר (מעל 50,000 מ') אושרה מפה לאוזן מהמשלב הטכנולוגי²) עקב יצירת מיקרו אקלים אנרגטי נפרד. אינטגרטורים מציינים פעולה יעילה של מערכות עם זרימות מ-1 עד 2 ליט/מ'² מים. נתונים אלה מספקים בסיס למחקר מפורט במיוחד כאשר נוצרים מבני גבישי קרח דקים עם תכונות טמפרטורה טובות יותר מאשר במערכות קונבנציונליות. המוליכות התרמית של קרח היא 2.2 W / mK ואינה יכולה להיכלל בקטגוריה של מבודדים טובים. למרות זאת, הקרח שנמצא בנקודת המעבר בין שלב הצבירה הנוזלי למוצק, "קרח רטוב" נמצא ב-0 מעלות צלזיוס ולכן פועל כמגבלת בידוד אידיאלית להעברת חום. העברת החום המתוארת במהלך ההגנה תהיה שמצד אחד ישנה השפעה שלילית של הטמפרטורה החיצונית שיורדת בחדות על משטח המגע החיצוני של מבנה הקרח הגבישי בעל המעטפת הדקה שבו יש ציפוי מתמשך וטל מים חדש. בתנאים אידיאליים, הקרח הקופא שומר על טמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס בכל עוביו ונשאר צלול ללא כל אי סדרים במבנה הגבישי. מתחת למבנה הגבישי על משטח המגע בין הקרח לפרי נמצא סרט מים רטוב המבטיח שרקמת הפרי לא תקפא. כל הקפאה של הרקמה גורמת לדפורמציה או לאובדן איכות הפרי [2]. מודל מחשב להדמיית התרחשות הכפור ניתן בעבודות קודמות [3] והוא מהווה בסיס מצוין לפיתוח מודל נוסף של ניהול מערכת הגנת כפור. המאמר מגדיר במדויק את הצורך באנרגיה בהתאם למיקרו-מיקום וצורת המטעים ולהשפעה המשתנה של האקלים. הרחבת המודל כך שתכלול הגנת כפור פעילה בצורה של מערכת מי גשמים תהיה התקדמות משמעותית לייצור המזון העולמי. ההנחה היא שבתנאי ציפוי אופטימליים נוצר מבנה גבישי מרובע רגיל [4]. ניתן להוכיח אימות של הנחה זו על ידי הדמיית מבני קרח במהלך הגנה על מטעים מפני כפור באמצעות קרני רנטגן, אשר מוסבר במאמר זה. [5] ובאמצעות מיקרוסקופ [6], יש לשקול את שתי השיטות על מנת שניתן יהיה לבצע סקר של מבנה הגביש בתוך המיקרו אקלים המוגן של המטע עצמו. אם צפויות תוצאות ההתגבשות, ניתן להשתמש במודל הדובדבן ליישום בטכנולוגיה הנוספת של הדפסת תלת מימד על ידי הקפאת מים, אשר מוסבר במאמר הבא [7]. ההבדל הוא שתנאי תלת-ממד השתמשו בתנאי אטמוספירה יבשה כדי לשלוט במבנה הדובדבן בעוד שבמחקר זה בוצע הדמיה של הדמיה של ציפוי ב-100% לחות יחסית של מערך המעבדה. לסיכום, למבנה הגבישי של הקרח יש השפעה משמעותית במערכות הגנה מפני כפור וכן עבור יישומים טכניים אחרים. הקפאת מים ממוקדת עם פרמטרים שהועתקו מהתנאים האמיתיים של מערכת ההגנה מפני הכפור והוכחת היווצרות מבנה גבישי תהיה פריצת דרך מדעית משמעותית.