Как я собрал красивое ведро для гидропоники

Несколько лет назад я писал пост о том, как вырастить на гидропонике крайне острый Trinidad Scorpion CARDI. Он, при его живительных 1.2 миллионах единиц Сковилла, на неподготовленных перцеедов производит впечатление эквивалентное облизыванию паяльника.

Пока Монстр плодоносил и радовал в течение нескольких лет, я продумывал более удобный вариант гидропонной установки, который было бы не стыдно показывать в приличном интерьере гостям. Классический вариант “юного гидропониста” из канализационных труб, алюминиевого скотча и вороха булькающих трубочек был с негодованием забракован женой. Я разработал и протестировал несколько прототипов с 3D-печатными элементами, но потом проект был поставлен на паузу.

Окончательно доделать его получилось после того, как внезапно выяснилось, что коллеги тоже фанаты острого. Мы собрались в нашей виртуальной “курилке”, запилили проект со всеми положенными milestone в Asana и начали тестировать. Садитесь поудобнее, сегодня будет лонгрид-оффтопик, про то, как толпа DevOPS из WiseOPS пилила совместный хобби проект для украшения офиса. Да, мы заняты не только работой) А еще я поделюсь подробной инструкцией и файлами для 3D-печати.

Сегодня расскажу про:

1. В чем проблема обычных установок и почему хотелось бы сделать их посимпатичнее?

2. Как правильно утопить растение

3. Минимизируем footprint. 45 литров на 0.5 м2.

4. 3D-печать против сантехнических магазинов. Agile физических прототипов.

5. Что делать, если твои первые тестеры очень сильные люди?

6. Масштабируемся и выходим в релиз.

Работаем над ошибками

Классические установки эффективные, но почти всегда сомнительно выглядят в эстетическом плане. Собранные проточные системы из канализационных труб с горшочками - не лучшее украшение вашей спальни, честное слово. Хотя, своих авторов они несомненно радуют. Я решил пойти более простым путем, который я подробно описывал в прошлой публикации.

Свой первый вариант я собирал модульным. Верхний горшок ограничивает корневую систему и физически отделен от основного бака, куда корни не смогут попасть через воздушный зазор. Да, в гидропонике тоже есть своя версия “Air gap”. 

Проблема в том, что крупное растение вроде того же Тринидадского Скорпиона при правильно подобранном профиле и освещении начинает активно ЖРАТЬ. Раствор выпивается практически на глазах. Этот милый кустик в пиковые периоды мог выпить до 30-40 литров раствора за неделю.Бегать при этом с канистрами мне довольно быстро надоело. Основной горшок с корневой системой выпивался до состояния сухой губки в течение нескольких часов.

Именно поэтому я решил клонировать своего Скорпиона и попробовать собрать новый прототип.

Создаем ТЗ

Для этого проекта я задал достаточно жесткие требования, некоторые из которых оказалось довольно нетривиально выполнить:

1. Установка должна быть красивой насколько это возможно. Никаких трубок, изоленты, вороха проводов или чего-то подобного. Установка должна отличаться от обычного растения только наличием тонкого провода в розетке рядом.

2. Объем основного бака должен быть не меньше 30 литров, чтобы растения среднего и крупного размера требовали какого-то обслуживания и долива не чаще 1 раза в 2-3 недели.

3. Декоративность не должна ухудшить эффективность. Содержание кислорода в прикорневой зоне не должно быть ниже 6 мг/л.

4. Полная бесшумность в процессе работы. Она задумана так, чтобы пользователь мог поставить ее возле кровати и спокойно спать, без жутких булькающих и журчащих звуков в середине ночи. По условиям разработки, циркуляция не должна останавливаться на ночь.

5. Отказоустойчивость. Да, тот самый, любимый мной Disaster Recovery Plan. Можно без приклеенного к установке красного конверта с инструкциями. Тем не менее, растение должно выдерживать без вреда для себя отказ помпы или отсутствие электричества в течение суток.

6. Предельная простота конструкции в плане защиты от затопления. В любых обстоятельствах кроме опрокидывания 40 литров раствора не должны порадовать соседей снизу.

Зачем нужен субстрат

Вопрос немного странный. У адептов традиционного земледелия там вроде все понятно – огурцы сами по себе силу земли не наберут. Червячки там всякие, куриный помет и прочие вроде как нужные вещи.

Как мы уже разбирали в прошлом посте, растение безусловно научилось за миллионы лет сосуществовать со всем этим зоопарком, живущим в естественном грунте. Бактериальный биом, грибки и различная органика не просто контактируют с корневой системой, но и активно регулируют жизнедеятельность растений. Но, одновременно, ничто из этого не является реально необходимым для роста и развития растений, так как в конечном итоге им нужны только эти несколько пунктов:

1. Вода

2. Растворенные в этой воде неорганические ионы.

3. Растворенный в ней же кислород.

4. Растение должно как-то держаться за грунт и не падать.

Все, этого более чем достаточно для того, чтобы вырастить быстрорастущий баобаб у вас дома. Многие считают, что в настоящей гидропонике субстрата быть не должно, а корни растения должны омываться чистым питательным раствором. И именно поэтому новички часто немедленно выбирают DWC в качестве своей первой установки. По сути, это дико жужжащее ведро с раствором и аквариумным компрессором, который омывает пузырьками корневую систему.

На самом деле, это не совсем так. Ключевое отличие гидропоники от традиционного земледелия заключается в максимальном ограничении органики, присутствующей в корневой зоне. В промышленности и в хобби очень часто используют нейтральный керамзит, кокосовое волокно и кокосовые маты, минеральную вату и много чего еще.

Полностью без "грунта" выращивают обычно небольшие растения, с малым объемом корневой системы. Например, различные виды салатов, пряная зелень и тому подобные варианты. Для крупных растений более оптимальным вариантом будет использование субстрата, в котором они будут удерживаться корневой системой.

Вода и кислород

Что в гидропонной установке с бананом, что в горшке с грязью и маргариткой все будет крутиться вокруг двух этих ключевых пунктов. Вы наверняка сталкивались с этой частой фразой «вот, залили растение, и оно сдохло». Для предотвращения этой беды многие любители сажать фикусы с хлорофитумами даже совершают ритуальные действия с засыпанием керамзита на дно горшка, тыкают палочкой проверяя влажность почвы и делают еще кучу других вещей.

А теперь давайте отбросим эти традиционные пляски с бубном и посмотрим, как оно на самом деле работает. Почему растение гниет и дохнет в не особо мокром грунте, но радостно генерирует тонны корней и зелени с утопленными в раствор корнями? Ответ предельно прост, на самом деле. Все упирается в количество растворенного кислорода.

Представим себе традиционный кубанский чернозем, который щедро насыпали в горшок и полили. Вся эта живительная гумусная смесь довольно плохо пропускает кислород. Рано или поздно, часть корневой системы окажется утопленной в локальных полостях без доступа кислорода и начнет гнить. Почвенные бактерии с удовольствием ускорят этот процесс.

Гранулы агроперлита

Теперь давайте возьмем и заменим 50% нашей земли на шарики керамзита или белые гранулы нейтрального перлита. Вот, что мы при этом получили:

1. Обокрали растение, изъяв половину всех питательных веществ.

2. Многократно улучшили газопроницаемость. Теперь воздух может проникать в рыхлый субстрат намного глубже

3. Практически исключили риски того, что вода может образовать локальное болото где-то в глинистом кармане. Теперь, все вылитое пролетает транзитом, смочив корни, и нигде не задерживается

4. Уменьшили влагоемкость. Теперь наш полностью мокрый субстрат может удерживать меньшее количество воды одновременно.

Получилось гораздо лучше, чем изначально. Теперь мы обеспечили корни кислородом и утопить растение не получится. Уполовинивание питательных веществ, конечно, не очень круто, но в крохотном горшке на полный сезон их в любом случае хватило бы только кустику чахлой петрушки. Остальных надо постоянно кормить по мере выедания исходных ионов.

Давайте пойдем дальше и выкинем оставшуюся половину нашей земли с червячками и оставим голый керамзит или агроперлит:

1. Растение обокрали полностью. Теперь в нашем субстрате нет вообще ничего съедобного. Если мы ничего не дадим в воде для полива, растение сдохнет.

2. Газопроницаемость идеальная. Теперь большую часть объема субстрата составляют воздушные полости, которые будут заполнены корнями. Воздух свободно проникает на большую глубину.

3. Влагоемкость сильно зависит от того, что мы взяли. У керамзита ячейки закрытые и воду он почти не впитывает. У агроперлита ячейки открытые и он может удерживать до 400 грамм воды на 100 грамм своей массы.

4. Вода еще быстрее пролетает транзитом при поливе.

Именно поэтому, для проекта был выбран уже проверенный ранее в пассивных установках нейтрализованный калиброванный керамзит Plagron Europebbles.  Максимум кислорода, отличная смачиваемость и доступный объем для роста корней. А все питательные вещества и кислород будут непрерывно доставляться с током раствора.

За счет огромной поверхности контакта влажной пленки на влажном керамзите мы получим эффективную диффузию кислорода в раствор. Никаких дополнительных жужжащих и булькающих компрессоров нам не понадобится. Более того, дальнейшие тесты это еще и подтвердят количественно.

 Выбираем основу

Анализируя ТЗ я очень быстро понял, что единственный вариант выполнить требования по объему и декоративности - высокая установка с большой емкостью. Для переделки идеально подошли распространенные кашпо для дома и офисов. В норме, их создатели предполагали, что использоваться будет только внутренний вкладыш, а внешняя “емкость” служит просто как декоративная подставка, чтобы поднять растение повыше.

Я же сразу решил, что 40-45 литров объема внешнего кашпо и 10 внутреннего просто идеально подходят для нашего проекта. Я сел и быстро набросал общий план:

1. Внешнее кашпо заполняется раствором до уровня вкладыша.

2. На дне установки лежит обычная помпа, которая поднимает раствор во внутренний горшок по силиконовой трубке.

3. Обратный ток раствора из внутреннего горшка должен осуществляться через изогнутый, Г-образный слив. Корни крайне неохотно растут вверх и это снизит риски того, что растение забьет слив.

4. Кроме этого надо добавить сквозную трубку, чтобы при полной блокировке штатного слива, раствор просто стекал в нижнюю емкость через аварийный слив.

Первый прототип

Я взял Fusion360 и набросал первые версии. Сомнительных элементов в нем, разумеется, тоже хватало. Но это стало понятно только на этапе тестирования. В любом случае, 3D-печать была крайне удобной альтернативой поиску стандартных сантехнических решений по всему городу. Можно было быстро проверить гипотезу, убедиться в ее бесполезности, утилизировать прототип и собрать новый.

Снятый на тапок первый прототип. Бодро гоняет воду по кругу и издает чудовищные звуки.

Вскоре стало понятно, что прототип полностью провалился по требованиям к тишине. Кашпо резонировало и звенело как барабан, пока раствор с грохотом падал из верхней емкости в нижнюю. Выражение лица жены явно свидетельствовало, что эта конструкция не только в спальне стоять не будет, но и вообще где бы то ни было в доме. Пришлось срочно дорабатывать и добавлять дополнительный гофрированный шланг для слива.

Первый успешный запуск и сильные пользователи

Итак мы получили отлично работающий прототип. Он тихий и довольно симпатичный. Более того, можно брать произвольные кашпо аналогичной формы и трансформировать их в бесшумные установки. Все прекрасно, все счастливы.

И вот тут я наступил на классические грабли разработчиков, которые делают что-то для себя. Я решил, что остальным будет точно так же просто. Когда я поделился бета-версией со своими коллегами из Кипра и знакомыми в нескольких чатах, я понял как сильно ошибался.

Да, я всегда придерживался принципа “должно печататься на кривом принтере без поддержек”, но пользователи тем не менее успешно:

1. Ломали детали в неожиданных местах. Даже PETG, который сломать непросто.

2. Собирали неправильно детали, которые собрать неправильно было нельзя

3. Находили странные, несовместимые горшки непонятной формы

4. Присылали размеры с фотографиями рулетки на фоне предмета со случайным углом кадра.

Короче, я сразу ощутил на себе всю прелесть поддержки проекта чуть сложнее, чем печатная сменная кнопка для микроволновки.

Спустя несколько итераций, я с коллегами и одним из сообществ-перцеводов починил то, что можно отнести к категории багов. Да, теперь на большинстве деталей можно даже попрыгать с минимальными для них рисками.

Следующей итерацией пошли feature request’ы. Один из пользователей насыпал пеностекло выше уровня аварийного слива и все начало сыпаться внутрь. Я спроектировал фильтр. Напечатать его у пользователей не получилось. В итоге, я перерисовал его и упростил до предела, опираясь на лучшие традиции брутализма и конструкцию Авальской телебашни:

Hidden text

Потом внезапно выяснилось, что все нашли совершенно разные кашпо, и я изобретал странный телескопический вариант с печатной резьбой в 32 мм.

Hidden text

В итоге мы все-таки вышли в релиз) Более того, благодаря @stav_progl который любезно провел тесты на содержание кислорода в растворе, мы теперь знаем, что установка уверенно держит 8 мг/л растворенного кислорода при +25 градусах. Этого более, чем достаточно, чтобы вырастить баобаб вашей мечты. Сейчас у него там растёт экземпляр сладкого перца.

Если пропадет электричество или отключится насос, то у растения будет пара литров раствора в запасе, чтобы продержаться хотя бы сутки.

Полный набор файлов и мануалы по проекту вы можете забрать на thingiverse - https://www.thingiverse.com/thing:6201262.

Хочу выразить отдельную благодарность:

1. Коллегам из WiseOPS, которые героически тестировали тестировали прототипы, чтобы установить эту конструкцию в центральном офисе

2. Сообществам https://t.me/ti_plants и https://t.me/ponics_ru за тестирование, и тыканье носом в проблемные места проекта.

3. Сообществу https://t.me/chilihead за сохранение семян и генофонда моего Trinidad Scorpion. Теперь у него уже есть даже внуки.

4. @stav_proglза дополнительное тестирование прототипов и рассылку комплектов всем нуждающимся без принтера.

5. Всем остальным, кто помогал в тестировании.

Чему мы научились

Разработка подобных проектов оказалась сильно похожа на то, что происходит при разработке ПО. Вот наш личный чек-лист по тому, что стоило бы учесть с самого начала:

1. Не пытайтесь сделать сразу красиво. Вы закопаете множество промежуточных прототипов прежде, чем доберетесь до финала. Да, эта та самая история про то, что преждевременная оптимизация - зло.

2. Соберите работающий прототип из желудей и спичек. Если нет 3D-принтера, возьмите картон. Или изоленту и термоклей. Пусть выглядит страшно, но работает. Это поможет проверить верность идеи и перейти к следующему этапу.

3. Привлеките инвесторов пользователей. Чтобы заинтересовать других вашим проектом, вам нужно показать им работающую концепцию. Двигаться даже с небольшим сообществом проще, чем в одиночку.

4. "А у меня все работает" - плохой принцип, если вы делаете не только для себя. Готовьтесь к тому, что пользователи сделают все совершенно не так, как было задумано. Одну деталь сломают, а другую потеряют.

5. Не нужно выполнять все пожелания пользователей. Улучшайте итеративно, но придерживайтесь исходного плана. Если соглашаться на любые доработки, ваш проект превратится в плохо совместимый конструктор. Всегда можно отдать исходники и предложить развлекаться самостоятельно в отдельном форке.

6. Документация. Как только вы пройдете этап бета-версии, постарайтесь уделить внимание хоть какому-то описанию того, как пользоваться вашим чудо-девайсом. Это сэкономит кучу нервов потенциальным пользователям и сделает проект привлекательным.

7. Готовьтесь отвечать на вопросы. Даже если продукт бесплатный, вы все равно несете ответственность за тех кого приручили. Люди будут благодарны обратной связи и пояснениям.

8. Сразу рассчитывайте на то, что пользователи сделают всё не так, как вы ожидали. Выложили 3D-модель? Будут печатать сырым хлебным мякишем и страдать, что ваша резьба на детали не крутится. Если можно упростить - упрощайте.

В целом, это был хобби-проект, где мы от души развлекались с половиной коллег, радостно проставляя галочки на каждом достигнутом milestone. Ну а если помимо хобби-консультаций вам нужна помощь команды опытных DevOPS, чтобы решить проблемы вашей инфраструктуры, то вы сможете вот тут с нами связаться.