Основателем концепции вертикального фермерства считается Диксон Деспомьер – эколог по образованию, микробиолог и ведущий эксперт в мире по внутриклеточному паразитизму. Он был убеждён в необходимости изменения существующего способа сельскохозяйственного производства и в 1999 году, будучи профессором в Колумбийском Университете, дал своим студентам задание найти решение проблемы выращивания сельскохозяйственных культур в условиях усугубляющейся экологической и климатической ситуации. Студенты предложили выращивать растения на крышах жилых домов. При работе над этим проектом они должны были решить вопросы о подходящих для плантаций зданиях в городе, видах выращиваемых растений и количестве производимой в результате пищи. В итоге студенты выбрали рис, как наиболее калорийную по питательным свойствам культуру, при этом требующую минимального количества земли для выращивания. Но по расчётам выходило, что выращивание риса при использовании всех подходящих крыш города способно накормить лишь 2% населения Нью-Йорка. Студенты были очень расстроены таким результатом, и, чтобы их утешить, Деспомьер сказал, что для реализации проекта можно было бы использовать и заброшенные жилые и офисные здания, авиабазы и небоскрёбы: «Представьте себе, сколько еды мы могли бы вырастить, если бы только удалось запихнуть её в высотки». Эти слова, сказанные мимоходом в порыве утешения студентов, застряли у него в голове. Заинтересовавшись этим вопросом, он стал изучать литературу по гидропонике и дал студентам новое задание – рассчитать, сколько людей может накормить «зелёный небоскрёб». По подсчётам оказалось, что одно тридцатиэтажное здание, занимающее по площади один городской квартал, способно прокормить 50 тысяч человек в год. А 150 таких ферм могли бы накормить всех жителей Нью-Йорка. С этого и началась проработка идеи вертикального сельского хозяйства.

Главное, что отличает вертикальную ферму от традиционных тепличных хозяйств – иной подход к использованию территории, и заключается он в многоярусном размещении насаждений. Поэтому по своей сути вертикальная ферма представляет собой не что иное, как многоэтажную теплицу. Как и в случае с обычными теплицами, продуктивность вертикальных ферм практически не зависит от климатических и погодных условий, засух и ненастий. Урожай в них можно выращивать всесезонно, круглогодично, в оптимальных для растений условиях. Растения не подвержены нападениям вредных насекомых и заражению инфекционными болезнями. А поскольку отпадает необходимость в применении пестицидов и гербицидов, это избавляет такое производство от токсичных сточных вод.

Однако вертикальное хозяйство накладывает на технологии, применяемые внутри фермы, определённые ограничения. К примеру, землю в вертикальных фермах использовать крайне неудобно, поэтому преимущественное распространение здесь получила гидропоника. Это достаточно известная на сегодняшний день технология беспочвенного выращивания, при которой корни растений погружены в специальный субстрат, представляющий собой раствор питательных веществ. Этот раствор непрерывно циркулирует в системе, а его питательный и химический состав контролируется и поддерживается в необходимом соотношении. За счёт этого отпадает необходимость в ряде традиционных операций: пропаривание, подготовка и дезинфекция грунта, прополка растений (в условиях гидропоники проблемы сорняков, как правило, не возникает). Подача же питательного раствора легко автоматизируется. За счёт этого трудоёмкость данного вида растениеводства по сравнению с традиционным может быть в 2-2,5 раза меньше. Кроме того, достигается очень большая экономия воды, поскольку исчезают её потери от просачивания в грунт. Также технология позволяет ускорить физиологические процессы и увеличить урожайность. Растения очень быстро достигают высоких размеров и начинают раньше плодоносить.

© AeroFarms

Альтернативой гидропонике, представляющей интерес для вертикального земледелия, является аэропоника. При этом методе растения также выращиваются без почвы, но их корни содержатся не в питательном субстрате, а в атмосферном воздухе, периодически сбрызгиваясь аэрозолем, содержащим воду и питательные вещества. При этом методе количество потребляемой воды на 90% меньше, чем у самых эффективных систем гидропоники. Более того, растения, выращенные в аэропонной системе, поглощают больше витаминов и минералов, поэтому их плоды более питательны. Однако эти системы технически сложнее, чем в случае с гидропоникой.

Второе важное ограничение технологий вертикальной фермы связано с освещением. Растения очень требовательны к свету, поэтому достаточное освещение должно быть организовано на каждом из ярусов, где они выращиваются. Лампы при этом должны быть максимально компактными. Этим требованиям отвечают светодиодные системы освещения, которые и нашли своё применение в вертикальных фермах. Эти системы дороги, но экономичны в эксплуатации. Кроме того, растения поглощают лишь часть видимого светового спектра, причём в разные периоды роста поглощаемый спектр может меняться. Путём комбинирования светодиодов разного цвета можно добиться наиболее подходящего для растений светового потока и тем самым, с одной стороны, обеспечить растению наилучшие условия для роста, а с другой – добиться дополнительной экономии.

За счёт внедрения передовых систем гидропоники/аэропоники и избирательного светодиодного освещения один квадратный метр площади одного этажа вертикальной фермы может производить столько же продовольствия, сколько 10-20 квадратных метров традиционной почвы. Это означает, что при тридцатиярусной высоте расчётная урожайность вертикальной фермы относительно площади поверхности её размещения в несколько сот раз выше традиционных сельскохозяйственных угодий.

Крайне важное преимущество вертикальных ферм связано ещё и с тем, что они не привязаны к сельскохозяйственным угодьям и могут быть оборудованы прямо в городе, в условиях недостатка земли. В этом случае путь овощей с грядки на прилавок значительно сокращается (как по расстоянию, так и по времени), а значит, продукты могут поступать в магазины и рестораны более свежими и полезными. Логистические издержки при этом сокращаются. Особенно важно это на фоне того, что значительная часть современного населения проживает именно в городах, а к 2050 году доля городских жителей, по прогнозам, и вовсе составит 80% всего населения.

Размещаться вертикальные фермы могут как внутри уже существующих зданий (например, в пустующих складских помещениях), так и проектироваться с нуля. Во втором случае, используя соответствующие архитектурные решения, вертикальная ферма может стать элементом программ озеленения города.

Основным препятствием массового распространения вертикального фермерства сегодня является финансирование. Несмотря на то, что используемые в вертикальных фермах технологии являются энергосберегающими по сравнению с традиционным способом, текущие затраты на обслуживание таких плантаций остаются значительными. По данным издания Agritecture, ежегодные затраты на электроэнергию для вертикальной фермы площадью 2,8 тысяч квадратных метров (53 на 53 метра) составляют 336 000 долларов при применении тарифов Нью-Йорка. Но основная проблема связана с дороговизной самих технологий. Оборудование небольшого контейнера для выращивания может обойтись в 70 тысяч долларов или примерно в 290 долларов в расчёте на 1 квадратный метр площади. По подсчётам Деспомьера, строительство 5-этажной фермы обойдётся в 20-30 миллионов долларов. Потенциальные инвесторы оказываются не очень готовы отдавать на выращивание простых овощей и зелени такие астрономические по сравнению с запуском обычной теплицы суммы.

© Bowery

Как следствие, цена на продукты вертикального земледелия может быть заметно выше стоимости продуктов, получаемых традиционным способом – от нескольких процентов, если речь идёт о салатной зелени, до 2-5 раз на капусту и некоторые другие виды овощей. Несмотря на это, овощи, выращенные пока ещё на немногочисленных вертикальных фермах, пользуются спросом – главным образом у шеф-поваров ресторанов, которым важна не столько стоимость продукта, сколько его свежесть и качество. Ожидается, что при условии массового внедрения технологии цена на продукты вертикального земледелия снизится до приемлемого уровня и для обычных покупателей.

Вполне ожидаемо, что к настоящему времени вертикальные фермы получили наибольшее распространение в Японии – стране с большой лояльностью к инновациям и очень высокой стоимостью земли. На уже действующих здесь фермах собирают по 12 урожаев в год. Но и некоторые другие государства стараются не отставать, ежегодно увеличивая инвестиции в новую технологию. Так, в США существует уже больше 20 крупных вертикальных ферм, продукцию которых можно приобрести в супермаркетах практически всех крупных городов страны. Большие перспективы вертикального хозяйства видят и китайцы: в Шанхае они собираются построить комплекс вертикальных ферм площадью 100 гектаров. А вот город Дубай планирует открыть самую большую вертикальную ферму в мире – площадью 12 тысяч квадратных метров. В ближайшее время темпы появления новых вертикальных ферм, по всей видимости, будут расти в геометрической прогрессии. Так, по прогнозам GrandViewResearch, инвестиции в вертикальные фермы с нескольких десятков миллионов долларов в 2010 году увеличатся до очень значительных 9,9 млрд долларов в 2025 году.

В завершение материала давайте познакомимся с некоторыми из уже действующих и планирующихся проектов вертикальных ферм.

AeroFarms

AeroFarms является одной из известнейших и крупнейших компаний в области вертикального земледелия. Компания расположена в Нью-Джерси (США) и эксплуатирует на данный момент самую большую в мире крытую вертикальную ферму, площадь которой составляет 7000 квадратных метров. Общая же площадь принадлежащих AeroFarms вертикальных ферм составляет 14 164 квадратных метра. Их годовая производительность – более 900 тонн листовых овощей и зелени, что соответствует производительности обычного фермерского хозяйства площадью 140 тысяч квадратных метров. AeroFarms использует аэропонную систему выращивания: аэропонный аэрозоль распыляется на корни растений, которые заключены в специальную тонкую ткань. На ферме используют инновации в области интеллектуального контроля среды: освещения, обеспечения питательными веществами, борьбы с вредителями, умный субстрат и другие, которые позволяют получать предсказуемый урожай требуемого качества до 30 урожаев в год. Разработчиком технологии практического выращивания овощей в аэропонной системе выступил Эд Харвуд – эксперт по сельскому хозяйству. Основной технической проблемой была конструкция и предотвращение в процессе эксплуатации загрязнения распылителей аэропонного аэрозоля. После долгих экспериментов Харвуд придумал особую систему и конструкцию сопла для распыления, которая сегодня является коммерческой тайной.

В последние годы AeroFarms строит фермы по всему миру. Так, в 2016 году 30 миллионов долларов было инвестировано во флагманскую аэропонную ферму в Ньюарке. Большинство из этих затрат приходится на оборудование, необходимое для выращивания зелени без использования систем отопления и охлаждения – только солнечного излучения, с системой вентиляции, затенения, контроля окружающей среды и освещения.

© AeroFarms

© AeroFarms

Bowery

Вертикальные фермы Bowery (США) считаются одними из самых технологически сложных коммерческих крытых ферм. Компания производит более 100 видов листовой зелени и трав, в том числе капусту, латук, рукколу, базилик и другие, без использования пестицидов, гербицидов, инсектицидов и других химикатов. Вертикальные грядки Bowery оснащены светодиодами, камерами и системами автоматизированного контроля. Контролирует весь процесс собственная система управления – BoweryOS, которая считывает данные и по мере роста растений автоматически создаёт для них идеальные условия. Система управляет подачей точного количества света, питательных веществ и воды, а кроме того, проводит сложный анализ, позволяющий собирать урожай в то время, когда растения имеют лучший вкус и питательную ценность. К примеру, специалисты Bowery научились выращивать некоторые сорта капусты с более мягкими листьями или добавлять рукколе перечный привкус. Компания располагает вертикальные грядки на площади арендованных пустующих складских помещений. Производство частично автоматизировано, ручной труд используется в некоторых операциях, например, при посадке всходов. При выращивании используется на 95% меньше воды, чем в традиционном сельском хозяйстве. Продуктивность в целом в 30 раз выше традиционных теплиц и в 100 раз больше в расчёте на единицу площади полевого хозяйства.

© Bowery

Plenty

В закрытых вертикальных фермах компании Plenty, базирующейся в Сан-Франциско, поддоны с растениями устанавливаются до шестиметровой высоты, используется светодиодная подсветка и умные системы полива растений. Инновации позволяют выращивать растения с использованием воды в 100 раз меньше и получать урожая в 350 раз больше, чем на обычных полях. Особая изолированность, почти стерильность позволяет избежать заражения растений паразитами, и не использовать пестициды – борьбу с вредителями ведут подселенные божьи коровки. Согласно ряду источников, продуктивность систем Plenty в 6 раз выше, чем у других аналогичных компаний, в том числе таких как Aerofarms и Bowery. Улучшения показателей удалось добиться за счёт снижения стоимости установленного оборудования и использования экономичных интеллектуальных систем обслуживания.

Фермы Plenty расположены в трёх разных районах пригорода. В них выращиваются разнообразные виды листовых овощей: редкие сорта базилика, лук-резанец, мизуна, салат-латук, щавель и другие. Некоторые из этих растений обычно не продаются в магазинах, так как не выдерживают долгую логистическую цепочку от фермерского хозяйства до прилавка магазина, но теперь, благодаря Plenty, возможность купить такие продукты в магазинах появилась. По мнению главы Plenty Мэтта Барнарда, рынок овощей уже созрел для революции, поскольку многие традиционные хозяйства находятся в зоне риска, так как могут разориться вследствие вспышек различных инфекций (в прошлом году это случилось с некоторыми производителями салата). А вертикальные фермы таким рискам не подвержены.

В настоящее время компания осваивает 200 миллионов долларов инвестиций от фонда SoftBankVision. На эти деньги компания уже открыла одну вертикальную ферму площадью 9290 квадратных метров в пригороде Сиэтла. В ней планируется производить более 2040 тонн зелени ежегодно. На другой ферме – в Вайоминге – будет проведено тестовое выращивание некоторых других видов растений, таких как клубника и помидоры. В дальнейшем компания планирует развиваться, строить свои фермы неподалёку от крупных городов по всему миру, что позволит при распространении технологии снизить удельные расходы на выращивание овощей. В планах компании также использование только солнечной энергии вместо традиционной.

EdenGreen

На своих вертикальных фермах компания EdenGreenTechnology (ЮАР, США) использует технологию гидропоники, при этом для каждого растения создаётся специальный микроклимат. Основным отличием вертикальных ферм EdenGreen от других является то, что компания не использует светодиоды, а работает исключительно на естественном освещении. Даже при этом ей удаётся получать по 10-15 урожаев овощей в год (на обычных фермах – не больше двух). Продуктивность одного квадратного метра площади здесь составляет 111 килограммов в год. Сооснователями EdenGreen являются выходцы из Южной Африки братья Жак и Юджин ван Бюрены. Однажды они увидели мальчика, который набил карманы едой, но сам её не ел, сказав, что сегодня не его очередь кушать, а запасы предназначены для его сестры. Этой случай и предопределил дело жизни, которым братьям захотелось заниматься. Свою первую теплицу предприниматели построили в ЮАР, а затем вышли и на американский рынок. На вертикальной ферме в Техасе уже выращивается более 120 различных видов овощей. Ещё семь ферм в США находятся на этапе разработки. Также EdenGreen планирует открыть вертикальные фермы в одной из стран Среднего Востока и на Карибах.

Kameoka

Япония одной из первых, ещё в 1980-е годы, стала открывать «фабрики растений». В стране восходящего солнца  сегодня их насчитывается более 180. Самая крупная из них принадлежит компании Spread – её гидропонная ферма Kameoka состоит из двух корпусов площадью 900 квадратных метров, а общая площадь грядок превышает 25 000 квадратных метров. Срок созревания салата здесь составляет 40 дней, в отличие от двух месяцев на традиционной открытой ферме. Ежедневно ферма производит по 21 000 кочанов латука четырёх сортов, которые доставляются в супермаркеты и рестораны в течение 24 часов после сбора. Фабрика настолько безупречна и каждый кочан салата настолько чист, что потребители могут есть его прямо из сумки.

Plantscapers

Plantscapers – готовящийся к реализации проект шведской пищевой технологической компании Plantagon и представляющий собой офисное здание, которое обеспечивает пищей всех своих постояльцев. Производство пищи происходит за счёт интеграции в здание гидропонных вертикальных грядок. Построить его планируется в Линчёпинге и назвать Мировым продовольственным зданием. Оно будет производить не менее 550 тонн овощей в год, что обеспечит пищей приблизительно 5000 человек. Для обслуживания растений и сбора урожая будет использоваться автоматизированная система, обеспечивающая низкие текущие затраты. Автономная система контроля будет следить за всеми параметрами: освещённостью, температурой, обеспечением питательными веществами и качеством воздуха. Сингапур, Гонконг и США уже заявили, что если концепция окажется успешной, то они готовы её развивать.

Кстати, вертикальные фермы вскоре могут появиться и в России. По сообщениям СМИ, в начале октября 2018 года российский стартап «Местные корни» привлёк под создание городских вертикальных ферм начальные инвестиции в размере 6 млн рублей от фонда TealTech Capital, основанного владельцем ритейлера «ВкусВилл» и его партнёрами. За три года в Москве и других крупных городах должно появиться десять площадок по выращиванию зелени общей мощностью 1 тысяча тонн в год.