Cельское хозяйство перемещается в небоскребы

В XXI веке достаточно остро стоит проблема обеспечения человечества продовольствием. Ни двух-трехкратный рост урожайности основных агрокультур во второй половине XX века, ни внедрение генетически модифицированных видов растений не решают двух важнейших проблем сельского хозяйства — деградации почв и зависимости урожаев от природных катаклизмов. В результате деятельности человека деградации подверглась четверть плодородных земель, ее прямые негативные последствия испытывает до 15% населения планеты. Колебания мирового урожая зерна в результате засух до сих пор могут стать ключевым фактором политической нестабильности в развивающихся странах.

Широкое распространение сверхинтенсивного роботизированного растениеводства, при котором исчезнут зависимость урожая от погодных условий и потребность в больших площадях сельхозугодий, позволит поднять уровень продовольственной безопасности человечества на принципиально новый уровень. Мегаполисы, поселения на Крайнем Севере и в пустынях выйдут на самообеспечение продовольствием за счет локальных многоэтажных агрокомплексов, использующих синтетические питательные растворы вместо почвы.

Комментирует ведущий эксперт Форсайт-центра Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ Илья Кузьминов: Человечество на сегодняшней беспрецедентно высокой ступени технологического и организационного развития не может себе позволить зависимость политико-экономических процессов от таких непредсказуемых факторов, как погодные условия. Политические перевороты в результате неурожаев зерновых — явно не должны быть атрибутом XXI века. Сбои в цепочках снабжения продовольствием крупных мегаполисов чреваты не только рисками человеческих жертв в этих конкретных городах, но и рисками нарушения процессов управления глобальными системами, поскольку рычаги управления мировой экономикой все больше сосредотачиваются в глобальных городах. Пока человечеству хватает сельскохозяйственных угодий, число голодающих в мире реально сокращается. Однако на сверхдолгосрочном горизонте (50-100 лет) связанные с традиционным сельским хозяйством проблемы, вероятнее всего, обострятся. Десять миллиардов человек еще до 2050 г. — вполне реальный сценарий. Их надо как-то прокормить и при этом не допустить сведения лесов под сельхозугодья, деградации почв, снижения биоразнообразия. Все это подводит к необходимости превращения сельского хозяйства в отрасль наподобие металлургической, химической или машиностроительной промышленности, когда производство концентрировано, локально, автоматизировано, и происходит в специализированных зданиях заводского типа с контролируемой средой.

Версия для печати:   

Многоэтажные вертикальные агрофермы

Технологии интенсивного культивирования растений в многоэтажных зданиях позволяют выращивать плодоовощную продукцию на малой площади. Такие агрокомплексы выгодно внедрять в крупных городских агломерациях, городах в зонах засушливого климата и странах с дефицитом земельных ресурсов (например, Сингапуре, Катаре, Бахрейне) — в общем, на тех территориях, где по той или иной причине невозможно развивать свое сельское хозяйство традиционными способами.

Вертикальные фермы — это автоматизированные комплексы с искусственным освещением, отоплением и кондиционированием, замкнутым водооборотом и стерильным воздухом. Растения в них размещаются на многочисленных ярусах, в результате чего площадь под сельхозкультурами оказывается в десятки раз больше площади здания. Вертикальные фермы — по сути, настоящие промышленные объекты, причем достаточно энергоемкие. По этой причине строить их целесообразно либо в районах с высокой концентрацией топливных ресурсов (Ближний Восток, полуостров Ямал), либо в зонах, благоприятных для генерации энергии из возобновляемых источников.

 

---

Эффекты Повышение доступности свежего продовольствия в городах. Ликвидация фактора сезонности в производстве, закрывающая возможности для незаконных спекуляций на рынках сельскохозяйственного сырья. Снижение водоемкости сельхозпродукции на 90% за счет замыкания водооборота, в том числе повторного использования испаряющейся влаги. Сокращение атмосферных выбросов за счет энергетического использования непродовольственной биомассы с улавливанием парниковых газов.

Оценки рынка $1–2 трлн к 2040 г. могут составить, при благоприятном сценарии, суммарные мировые инвестиции в вертикальные фермы. Стоимость одного проекта может доходить до 2 млрд долларов. К 2025 г. вертикальные фермы станут обычным для города явлением в развитых странах.

Драйверы и барьеры  Необходимость обеспечения локальной продовольственной безопасности в городах стратегического значения.  Потребность в страховке на случай катастрофических неурожаев в условиях ненадежности глобального рынка продовольствия.  Возможность строительства вертикальных ферм в любых природно-климатических условиях.  Дальнейший рост стоимости земли в крупных городских агломерациях.  Отсутствие градостроительной документации, регулирующей строительство и эксплуатацию вертикальных ферм.

Международные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы»: наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

---

 

Внегрунтовое выращивание растений

Традиционные способы грунтового выращивания растений в закрытом грунте не всегда применимы, что связано либо с дороговизной дальней транспортировки почвы в пустынные или северные районы, либо с массогабаритными ограничениями (на судах, арктических станциях, космических кораблях). Однако почва необязательна для жизнедеятельности растений. Важен доступ их корневых систем к воде и питательным веществам, содержащим азот, фосфор, калий и другие элементы.

В последние десятилетия получили развитие технологии внегрунтового растениеводства — гидропоника (выращивание растений в питательных водных растворах, при этом их корни закреплены в неорганическом водопроницаемом субстрате), аквапоника (разновидность гидропоники, при которой питательные вещества извлекаются из отходов жизнедеятелдьности рыб) и аэропоника (выращивание растений со свободно свисающими в воздухе корнями, которые периодически обрызгиваются питательным раствором). Эти технологии имеют немало преимуществ: в несколько раз выше урожайность в расчете на один гектар; требуется до десяти раз меньше воды и до четырех раз меньше удобрений в расчете на единицу продукции; лучше защита растений от болезней; легче предотвращается порча урожая.

 

---

Эффекты Экономия на удобрениях благодаря аквапонике (отходы жизнедеятельности рыб содержат практически все необходимые питательные вещества для роста растений). Сокращение зависимости городского населения от поставок продовольствия вследствие перехода к домашнему культивированию растений при помощи компактных гидро- и аэропонных установок. Возможность консервации больших площадей сельскохозяйственных угодий, сохранение плодородия почв.

Оценки рынка на  30%  можно сократить продолжительность цикла производства сельхозпродукции благодаря технологиям гидро- и аэропоники. На 90% можно снизить водоемкость данной продукции. Широкое распространение практики выращивания корнеплодов с использованием гидро- и аэропоники может обеспечить повышение экономической эффективности на 30% по сравнению с традиционными методами.

Драйверы и барьеры  Распространение в городах вертикальных ферм и «умных» теплиц, которые во многом будут опираться на технологии гидро- и аэропоники.  Возможность высадки людей на Марс к середине 2030-х годов (для реализации этой цели NASA активно финансирует новые разработки, в том числе в области аэропоники).  Более высокие (на порядок) инвестиционные расходы по сравнению с затратами на строительство традиционных теплиц.  Низкая информированность населения и предпринимателей о пользе и выгодах внегрунтового выращивания.

Международные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы»: наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

---

 

Роботизированные теплицы

Тепличное хозяйство — единственный способ обеспечить население в северных и засушливых странах всем ассортиментом свежих овощей и некоторыми видами фруктов. Использование ручного труда в больших теплицах ограничивает их производительность и сказывается на стоимости продукции. Автоматизация труда позволит сократить издержки и полностью раскрыть экономический потенциал современных тепличных агрокомплексов, в которых, помимо продвинутых технологий теплоизоляции и искусственного освещения, могут применяться технологии гидропоники, аэропоники и решения в области возобновляемой энергетики.

В роботизированных теплицах автоматика решает не только задачи контроля освещения, микроклимата, температуры и влажности почвы, но и обеспечивает механические манипуляции с растениями: полив, подачу удобрений, использование химикатов в случае болезней растений, их подрезание и пересадку, сбор и первичную упаковку урожая. Для выполнения этих операций недостаточно стационарных роботов-манипуляторов — нужны роботы, способные перемещаться в пространстве с большим количеством препятствий и взаимодействовать друг с другом.

---

Эффекты Возможность выращивания свежих овощей в большом количестве в удаленных северных городах и мегаполисах засушливых стран при минимальных расходах на ручной труд. Повышение контролируемости бизнес-процессов в тепличном хозяйстве, более строгое соблюдение стандартов качества, фитосанитарных и гигиенических требований. Дальнейшая трансформация рынка труда: снижение числа рабочих мест в традиционном сельском хозяйстве и увеличение спроса на квалифицированные кадры в четвертичном секторе экономики. Углубление процессов урбанизации и консервация (резервирование) традиционных сельхозугодий.

Оценки рынка на  40–50%  (в реальном выражении) может снизиться розничная цена овощей и фруктов в городах Крайнего Севера, сравнявшись с их стоимостью на остальной территории России (сейчас стоимость овощей в северных районах вдвое или более выше, чем в мегаполисах главной полосы расселения). Использование роботов может повысить производительность труда в тепличном хозяйстве на 30–40% в развитых странах и на 50–60% в России в 2040 г. по сравнению с уровнем 2015 г.

Драйверы и барьеры  Потенциальная возможность трансфера технологий робототехники из военно-промышленного комплекса и сектора машиностроения в сельское хозяйство.  Наличие потенциального массового спроса: роботизированные теплицы могут стать неотъемлемой частью личных подсобных хозяйств.  Возможность использования роботизированных теплиц в составе вертикальных ферм.  Неразвитость нормативно-правовой базы и недостаток субсидирования проектов.  Высокая стоимость роботизации производственных процессов (особенно на начальном этапе).

Международные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы»: наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

---

 
Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики (issek.hse.ru) в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), Web of Science, Orbit, horizons.gc.ca, fao.org, un.org, voanews.com, verticalharvestjackson.com, manifestmind.com, fastcoexist.com, energy-fresh.ru, eusoils.jrc.ec.europa.eu, vnua.edu.vn, ag.arizona.edu, vertical-farming.net и др.

Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в Институте статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ: issek@hse.ru, +7 (495) 621-82-74.

Над выпуском работали: Илья Кузьминов, Лилия Киселева, Анна Соколова, Надежда Микова, Елена Гутарук, Карина Назаретян, Ким Воронин.

© Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2015