Zach Johannes, en entusiastisk grundutbildning vid Stanford University, håller på att förfina en idé som han tror att en dag skulle kunna mata hela mänskligheten med färska, lokal mat samtidigt som man använder mindre mark och färre bekämpningsmedel. Yohannes växte upp på en 1, 500 tunnland gård i Kaliforniens Central Valley där han lärde sig att samtidigt bevattna 20 tunnland valnötsträdgårdar, men han drömmer om att nästa generation ska mäta jordbruksmark i kubikmeter istället för areal. Förra sommaren, den optimistiska entreprenören försökte bevisa att storskalig hydroponisk odling inomhus inte bara är möjlig, men också ekonomiskt lönsamt.
I ett hydroponiskt system, en näringstät vattenlösning cirkulerar genom växternas rötter och ersätter behovet av jord och traditionella gödselmedel. Denna vetenskapliga teknik låter bönder och trädgårdsmästare odla mat i kök och källare, på fönsterbrädor och tak. "Tekniken finns där, resurserna finns, pengarna finns där – typ – vad vi behöver är att det ska bli gjort, säger Johannes. Yohannes gav allt ljus, vatten, luft och näringsämnen som krävs för att växa över 2, 000 växter hydroponiskt. Han odlade tomater, sojabönor, sallad och örter på 8'x8'x30" ställ i ett eftermonterat lager på hans familjs gård. Konventionell odling kräver större avstånd mellan växter och medan 500 kvadratfot jord vanligtvis bara kan producera 500 salladshuvuden, Yohannes odlade 850 salladshuvuden på samma utrymme.
En gång i tiden en nischtrend som främst dominerades av krukodlare inomhus, hydroponics kan äntligen bryta mainstream. Dess förespråkare lovar att det kommer att förändra det amerikanska jordbrukets framtid. Men först måste hydroponisk teknologi övervinna sina egna begränsningar, som har hållit tillbaka framsteg i över 70 år.
En utopisk dröm uppskjuten
Året var 1940. Tredje riket ockuperade Paris. Hitler, Mussolini och Hirohito hade precis skrivit under papper för att bilda Axis Alliance. Under tiden, William Frederick Gericke, en professor vid University of California Berkeley, publicerade tyst en bok om en innovativ teknik som han trodde skulle få ett slut på kriget. Hans uppfinning, som han kallade hydroponics, skulle göra det möjligt för länder att producera mer mat med mindre resurser. "Nationer som Italien och Japan, skrev Gericke, "som är oroliga över trånga befolkningar och otillräcklig jordbruksmark, lätt kan mångfaldiga sin produktion av livsmedel, ” som sopar bort behovet av territoriell expansion.
Forskare hade experimenterat med näringslösningar i laboratorier sedan 1860-talet när den tyske jordbrukskemisten W. Knop började isolera kemiska föreningar i jorden för att studera gödselmedel, men, Gericke skrev, "Forskare misslyckades med att inse det verkliga värdet av en princip som de själva tillämpade i laboratorieexperiment." Istället för att använda näringsämnen för att förbättra jordkvaliteten, Gericke ville att bönder över hela Amerika skulle ersätta sina vete- och potatisfält med de komplexa hydroponiska system som han utvecklat från år av experimenterande med olika näringskombinationer och odlingsförhållanden. Hans prototypsystem för tomater, blommor och salladsgrönsaker resulterade i skördar som överträffade standardpraxis för konventionell åkerodling vid den tiden.
Gericke drömde om att hydroponics i grunden skulle förändra sättet att odla mat runt om i världen. Det gjorde det inte.
Den amerikanska militären använde Gerickes teknologi för att mata trupper stationerade på små öar i Stilla havet. General Douglas MacArthur tog med den till japanerna efter kriget och de använde den för att odla 3,18 miljoner pund färsk frukt och grönsaker. 1953 års upplaga av Den amerikanska biologiläraren instruerade skollärare att sprida Gerickes idéer i klassrummet, hävdar, "eleven som odlar den första tomaten eller den största rädisan kommer att vara lika mycket av en skolhjälte som quarterbacken som kastar det vinnande passet!"
Gericke drömde om att hydroponics i grunden skulle förändra sättet att odla mat runt om i världen. Det gjorde det inte.
Varför? En förstagångsodlare måste göra en betydande investering; köpa pumpar, rör, bassänger, lampor, luftfilter, fläktar och näringsämnen utöver alla de material som en konventionell trädgårdsmästare kräver. Sedan finns det kostnaden för el som behövs för att driva systemet. "Driftskostnaderna kan vara ganska höga eftersom du måste tillhandahålla alla de faktorer som du normalt får gratis utomhus, "Johannes erkänner, förklara de ekonomiska begränsningarna för hydroponics.
Hydroponics kräver också en komplicerad kunskap om kemi, botanik, VVS och lantbruk. När Gericke försökte övertyga bönder att anta hans komplicerade hydroponiska metoder, biotekniska framsteg inom hybridfrön visade sig vara ett enklare och billigare sätt för traditionella bönder att öka sina skördar. Regeringens politik stödde öppet storskaliga råvaruodlingsmetoder. Food and Agriculture Act från 1965 fastställde fast ekonomiskt stöd för traditionella jordbruksmetoder och bönder fortsatte att växa i jord; allt utom att glömma den ljusa framtiden Gerickes hydroponisystem utlovade.
Gröna drömmar
Men det fanns en grupp bönder som fann Gerickes uppfinningar inte bara användbara, men lönsamt. Efter att Nixons administration gjorde det för riskabelt att odla marijuana utomhus, krukodlare sökte skydd där inne. Och väl där, Gerickes hydroponiska system var där för att hjälpa dem att blomstra.
Moce, en seriös hydroponikentusiast, jobbar på en odlingsbutik utanför Boston. Han ombeds att bli refererad till med sitt smeknamn i den här artikeln eftersom "den mörka sidan av branschen" fortfarande genomsyrar delar av den hydroponiska gemenskapens kultur.
På grund av den höga initiala investeringen, "Att odla grönsaker till ett värde av tusen dollar är inte möjligt på kort sikt. Konceptet är fantastiskt och det kommer att betala sig själv med tiden, men det är en sipprande retur, " säger Moce. Alternativt en relativt liten skörd av marijuana kan ge priser som kommer att betala tillbaka en odlars investering mycket snabbt.
Medan en majoritet av forskningsfinansieringen vid universiteten gick till konventionella jordbruksmetoder, investeringar i detaljhandelns hydroponiska industri – sporrade, i ingen liten del, av marijuanaodlare – lämnades för att driva utvecklingen av tekniken under 1970-talet.
"Jag bryr mig inte vem som odlar vad. En växt är en växt. Men det är frustrerande, du vet? Jag berättar för dem, Hej bror, det är bara en växt av de tusentals som du kan odla.'
Nu när grönsaksodlare använder hydroponics för mer "legitima" industrier, nya hydroponiska butiker som Moce's försöker ta bort associationerna till den svarta marknaden. Tecken som läser, "Allt prat om illegala ämnen och du kommer att bli ombedd att lämna omedelbart, "kanta väggarna i hans butik, men många potentiella kunder frågar fortfarande om att odla marijuana. "Jag bryr mig inte vem som odlar vad, " säger Moce. "En växt är en växt. Men det är frustrerande, du vet? Jag berättar för dem, 'Hej bror, det är bara en växt av de tusentals du kan odla.”
Moce säger att man idag odlar grönsaker hydroponiskt av många olika anledningar. Hydroponics tillåter människor att odla växter mycket tätare än vad konventionellt jordbruk tillåter, så många av Moces kunder är hobbyister som bor i små hus utan tillräckligt med mark för en konventionell grönsaksträdgård.
Allmänhetens växande oro för miljön och koldioxidutsläpp betyder att amerikaner vill odla mat lokalt och på nya platser. "Vi har redan splittrat atomen och har åkt till månen. Vi kan sätta en peppar i ett hyreshus, säger Moce.
Rör drömmar?
Yohannes förhoppning är att vertikalt jordbruk skulle kunna leverera färska, lokala produkter till innerstadssamhällen. "Vi försöker ge människor mat eftersom det kommer att bli ett verkligt problem som vi kommer att möta under våra liv, säger Johannes. "Det här är bara ett sätt att bekämpa det på ett så effektivt och hållbart sätt som möjligt."
Men alla är inte övertygade. Melissa Brechner, direktören för Cornell Universitys Controlled Environment Agriculture Hydroponic Technology Transfer Center, tycker att Yohannes drömmar om vertikalt jordbruk är långsökta, i bästa fall. "Folk säger att vi vill ge hälsosam mat till innerstadsborna, men det verkliga problemet med innerstäder är att hälsosam mat kostar mycket pengar.”
Brechner påpekade att Yohannes måste sälja sina produkter till en premie för att behålla lönsamheten, men detta hindrar människorna han vill mata från att köpa det. Enligt Brechner, en urban hydroponisk odlare kommer alltid att betala mer än en konventionell fältodlare eftersom han måste betala för solen. "Växter växer i direkt proportion till ljuset. Så om du ger dem mer ljus, då kommer du att förbättra din avkastning, säger Brechner.
"Den stora mängden energi som krävs för att odla saker i lagret – vi skulle säga i våra mer passionerade stunder att det är miljömässigt oansvarigt."
Brechner pekar på arbetet av hennes tidigare kollega på Cornell, Louis Albright. Med hänsyn till belysningen och uppvärmningen av ett slutet lager eller skyskrapa, Albright beräknade att det tar nästan tre gånger så många kilowattimmar att odla ett salladshuvud vertikalt som det tar att odla det i ett glasväxthus utanför staden. Även när man tar hänsyn till koldioxidkostnaden för att frakta sallad en masse, han har funnit att det fortfarande är mer miljövänligt att odla sallad borta från stadskärnor.
Albright fann också att vete, en av USA:s mest konsumerade grödor, är inte genetiskt lämpad för hydroponisk produktion. Han beräknade att det för närvarande kostar 23 USD i el att producera tillräckligt med vete för en brödlimpa i ett slutet lager.
Brechner lyfter fram en annan stor sårbarhet med storskalig hydroponisk produktion. Ett strömavbrott kommer att stoppa cirkulationen av näringslösningen. Med de flesta system, detta kan förstöra en hel säsongs grödor på kort tid. Ur Brechners perspektiv, hydroponisk teknologi har inte utvecklats nämnvärt sedan Gerickes tid. Så länge hydroponiska system kostar mer pengar och kräver mer resurser än konventionella odlingstekniker, Brechner är fortfarande emot hydroponiskt jordbruk. "Jag förstår värdet av att göra friska växter mer synliga för invånarna, " hon säger. "Men den stora mängden energi som krävs för att odla saker i lagret – vi skulle säga i våra mer passionerade stunder att det är miljömässigt oansvarigt."
Rymd race
Gene Giacomelli, chefen för Controlled Environment Agriculture Center (CEAC) vid University of Arizona, möter Brechners oro varje dag. Hydroponics kan inte konkurrera med konventionellt jordbruk när det kommer till startkostnader, men Giacomelli tror att hydrokultur kan bli mycket mer resurseffektiv – så effektiv att den bokstavligen kan föda en planet. Planeten han har i åtanke, dock, är inte vår egen.
NASA har anlitat CEAC för att skapa ett hydroponiskt bioregenerativt livstödssystem för astronauter på långa uppdrag till månen eller Mars. Giacomelli fulländar ett slutet system där växterna förbrukar astronautens koldioxid och flytande avfall och i sin tur förser växterna astronauterna med syre, färskvatten och mat. Den nuvarande modulen förlitar sig på ett komplext datorsystem med infraröda monitorer för att säkerställa att varje planta växer till sin maximala potential. Giacomelli sa att hans högteknologiska hydroponiska system kunde passa i ett sexhundra kubikfotsrör och ge en enda astronaut allt hans dagliga syre- och vattenbehov och ungefär hälften av hans dagliga kalorier. En prototyp testas just nu på Sydpolen.
Giacomelli sa att hans högteknologiska hydroponiska system kunde passa i ett sexhundra kubikfotsrör och ge en enda astronaut allt hans dagliga syre- och vattenbehov och ungefär hälften av hans dagliga kalorier.
Giacomelli medgav att tekniken för modulen för närvarande är för dyr för användning i amerikanska städer, men han säger, "Det är väldigt lätt att peka på ämnen som omedelbart kommer att översättas tillbaka till Earth-applikationer." Giacomelli förutspår att hans forskning kommer att förändra hur alla bönder tänker på produktivitet.
"Folk kommer att börja titta på kilona per kvadratmeter per inmatad vatten, näring, arbete eller energi." Allt eftersom växande system blir alltmer värderade för sin effektiva resursanvändning, människor kommer att inse potentialen som ligger i ett hydroponiskt system med sluten slinga. Redan hydroponiska system kan använda 60 till 90 procent mindre vatten än konventionella metoder.
Stora framsteg inom växthusteknologin tillåter hydroponiska odlare att använda naturligt solljus – kompletterat med artificiellt ljus i mörkare områden och under lågsäsong – för att odla växter mer effektivt här på jorden.
Den amerikanska bondens framtid?
När konsumenterna blir allt mer medvetna om var deras mat kommer ifrån och hur den odlas, det verkar som att vi kan gå in i en ny era av hydroponics. Moce kan vittna om det växande intresset bland hobbyister och gör-det-själv-handlare, men den växande sociala efterfrågan i kombination med de senaste tekniska framstegen innebär att hydrokultur har en ny potential att påverka matsystemet, på det sätt som William Frederick Gericke en gång drömde.
Företag som Lufa Farms i Montreal, BrightFarms i Philadelphia och Gotham Greens i New York odlar mat hydroponiskt i gigantiska växthus direkt på taket av stormarknader. De drar fördel av det tillgängliga naturliga ljuset samtidigt som de minskar transportkostnaderna avsevärt. Genom att sälja direkt till marknaderna nedan, deras hydroponiska produkter kan teoretiskt sett vara konkurrenskraftiga priser jämfört med konventionella produkter.
Den ständigt ökande avkastningen av datorkraft från Moores lag och effektiv automatisering gör storskaliga hydroponiska verksamheter mer tillgängliga för även de mest oerfarna bönderna. Freight Farms kläder gamla, metallfraktcontainrar med intensiv isolering och ett standardiserat hydroponiksystem som "kan placeras var som helst i världen, i vilken miljö som helst, ” enligt kommunikationskoordinatorn för den Boston-baserade uppstarten, Rebecca Liebman. Hon säger att en restaurangägare i Minnesota kan växa rakt igenom vintermånaderna och producera 13, 000 pund färsk basilika årligen.
Den initiala investeringen är fortfarande brant. För $60, 000 får en ny bonde en 8'x40′ fraktcontainer fylld med allt han behöver för att börja odla på plats. "En surfplatta inuti styr allt – belysningen, pH och temperatur, " säger Liebman. På ett område som är mindre än fotavtrycket av tre parkeringsplatser, en ensam person som arbetar åtta timmar i veckan kan odla ett tunnland lövgrönt. Liebman säger att "fraktfarmen" betalar sig själv på 9 till 12 månader eftersom bonden skördar högkvalitativa produkter varje vecka, året runt. Efter den första investeringen, som sannolikt är billigare än kostnaden för ett tunnland mark, årliga kostnader förblir under $5, 000 dollar.
"Vi tittade på vad alla andra gjorde fel och fixade sedan det - vi tog verktygen och skapade ett system som är innovativt."
"Vi skapade inte konceptet hydroponics, det har funnits länge, länge sedan. Vi tittade på vad alla andra gjorde fel och fixade sedan det – vi tog verktygen och skapade ett system som är innovativt, " säger Liebman. Energieffektiva LED-lampor och tjock isolering håller elkostnaderna låga (cirka $1, 500 per år) och det slutna vattensystemet innebär att vattentanken endast fylls fyra gånger per år. Företaget planerar att lägga till solpaneler till framtida design, använda alternativa energikällor för att minska kostnaderna och öka resurseffektiviteten. Tekniken förbättras kontinuerligt för att möta de miljöproblem som uttrycks av människor som Brechner och Albright.
Där Gericke misslyckades med att föra ut hydroponics till allmänheten, Freight Farms hoppas på att lyckas. Den interna datorn är laddad med informativa handledningar och bonden kan videochatta med experter på Freight Farms om de har några problem.
Zach Johannes, själv bonde, en student och en affärsman, misstänker att nästa generation amerikanska bönder kommer att vara av en ny ras – en som är redo att omfamna Gerickes hydroponiska drömmar. "De har drivkraften, utbildningen och viljan att hjälpa planeten.” Den utopiska drömmen om en sedan länge död botaniker är fortfarande långt ifrån att förverkligas, men snart kan den växa till sin fulla potential. Ingen jord behövs.
