はじめに
技術の授業で「生物育成」を学んでいると、天候に左右されずに一年中同じ野菜を作れる「植物工場」という言葉を耳にすることがありますよね。
ビニールハウスの施設栽培とは何がちがうのか、どうやって光や温度を管理しているのか、気になっている人も多いはずです。
植物工場は、経験や勘だけに頼らず、光・温度・CO2・水を数値で管理する、技術科の「計測・制御」の考え方がそのまま生きている現場です。
今回は、植物工場がどんなしくみで野菜を育てているのかを、中学生にもわかりやすい言葉で一緒に見ていきましょう。
植物工場とは何か
植物工場とは、ビニールハウスなどの施設栽培をさらに進め、光・温度・湿度・CO2・養分といった育つ環境のすべてを人が管理して野菜を育てる施設のことです。
天候や季節に関係なく、いつでも同じ品質の野菜を作れるのが最大の特徴なんですよ。
光をすべてLEDでまかなう「完全人工型」と、太陽光にLEDを組み合わせる「太陽光利用型」の2つのタイプがあります。
- 完全人工型：LEDだけで光をまかない、窓のない建物の中で育てる方式です。
- 太陽光利用型：太陽光を活かしながら、足りない分だけLEDで補う方式です。
- 共通点：どちらのタイプも、環境をすべて数値で管理する考え方は同じです。
ポイント1：光の管理
植物工場のいちばんの特徴は、太陽の代わりにLEDで光を作り出していることです。
光を当てる時間・強さ・色をすべて調整することで、野菜の育ち方をコントロールしているんですよ。
光の管理のポイントを紹介します
LEDで人工の昼をつくる
植物工場では、太陽の光の代わりにLEDライトを使って、人工的に「昼」を作り出しています。
窓のない完全人工型の施設では、朝になったらライトが点き、夜になったら消えるというサイクルを、コンピュータがあらかじめ決めたプログラムどおりに毎日繰り返しています。
この光を当てる時間の長さや強さを、野菜の種類や成長の段階に合わせて細かく調整することで、育つスピードそのものをコントロールできるのが大きな強みなんです。
実際の太陽のように季節や天気で変わることがないため、毎日同じ条件で光合成をさせられるという安心感もあります。
天気が悪くて日照時間が短い日が続いても、植物工場の中では毎日同じ量の光が当たり続けます。
そのため、露地栽培のように「今年は日照不足で生育が遅れた」ということが起こりにくく、計画どおりのペースで野菜を育てられるんですよ。
光の色で育ち方が変わる
光には色によって植物への働きかけがちがい、赤色の光は茎や葉をぐんぐん伸ばす働きを持っています。
いっぽう青色の光は、葉を厚く茎を太くして、がっしりとした姿に育てる働きを持っているんですよ。
植物工場のLEDは、この赤色光と青色光を目的に合わせて混ぜて使うことで、伸ばしたい野菜か、がっしり育てたい野菜かをコントロールしています。
たとえばレタスのような葉物野菜を大きく育てたいときは赤色光の割合を増やし、苗を丈夫に育てたいときは青色光の割合を増やすといった使い分けをしているんですよ。
葉物野菜のように葉を大きく育てたいときと、苗をがっしりさせたいときとでは、当てる光の色の割合を変えているんです。
技術の授業で光合成のしくみを学んだ人は、光の色と成長の関係が、まさにその応用だと気づけると思いますよ。
- 赤色光：茎や葉を大きく伸ばしたいときに使う光です。
- 青色光：がっしりとした姿に育てたいときに使う光です。
- 日長調整：光を当てる時間の長さで、開花の時期をコントロールします。
日長で開花時期を操る
光を当てる時間の長さのことを「日長」と呼んでいます。
植物の中には、日長が長くなると花を咲かせる長日植物や、逆に日長が短くなると花を咲かせる短日植物があり、この性質を利用しているのが植物工場です。
ライトを点ける時間を人工的に伸ばしたり縮めたりすることで、花が咲く時期や芽が休眠するタイミングまで、季節を待たずに操ることができるんですよ。
イチゴやキクのように出荷時期がずれると価格が大きく変わる作物では、この日長のコントロールがとても重要な技術になっており、需要が高まる時期をねらって収穫できるという利点もあるんですよ。
出荷したい時期から逆算して日長を設計するので、決まった日にちに合わせて野菜や花を届けることもできます。
季節任せだった栽培計画が、数値で決められる計画に変わっているということなんですね。
ポイント2：温度とCO2の管理
野菜は、暑すぎても寒すぎても、うまく育つことができません。
植物工場では、温度だけでなくCO2の濃度まで数値で管理して、光合成が最も進む環境を作り出しているんですよ。
温度とCO2の管理のポイントを紹介します
適温を保つしくみ
野菜には、それぞれ育ちやすい温度の範囲があり、その範囲から外れると成長が止まったり、実がつかなくなったり、傷んでしまったりします。
植物工場では、施設の中にエアコンや暖房機を設置し、温度センサーが常に室温を測りながら、あらかじめ決めた設定範囲に収まるよう自動で調整しています。
外の気温が真夏の猛暑日でも真冬の寒波でも、施設の中は野菜の種類ごとに決められた最適な温度に、年間を通してほぼ一定に保たれているんですよ。
夏場に電力の使用量が増えやすいのも、このためなんです。
人が毎回温度計を見て機械を操作するのではなく、あらかじめ決めた設定値どおりに機械が自動で動く点が、家庭菜園との大きなちがいです。
これが、天候に関係なく安定した生産を続けられる理由の一つになっています。
CO2を足して光合成を助ける
植物は、空気中のCO2と水と光を材料にして光合成をおこない、成長に必要な養分となるデンプンを作り出しています。
そのため、施設の中のCO2濃度を外の空気よりも少し高めに保つと、光合成が活発になり、葉や茎が育つスピードが早まることが分かっています。
ただし、CO2の濃度を上げすぎると、かえって気孔が閉じてしまい光合成が進みにくくなるなど逆効果になることもあるため、作物の種類や成長の段階に合わせて、ちょうどよい濃度を保つことがとても大切なことなんですよ。
CO2発生装置とセンサーを組み合わせて、常に最適な濃度を保つように自動で調整している施設が多くなっています。
光・温度・CO2の3つがそろって初めて、野菜がいちばん元気に育つ環境になるということですね。
センサーとコンピュータの自動制御
植物工場の中には、温度・湿度・CO2濃度・光の強さ・養液の濃度などを測る、数えきれないほどのセンサーが取り付けられています。
これらのセンサーが集めた数値は、常にコンピュータへ送られ、あらかじめ決めておいた設定値と比べられます。
数値が設定値からずれていれば、エアコンやライト、CO2発生装置、給液のポンプなどを自動で動かして、いつでも最適な環境に戻すというしくみになっているんです。
この一連の流れを人の手を借りずに続けられるのが、植物工場ならではの強みなんですよ。
人が24時間つきっきりで見張らなくても、機械が自動で環境を整えてくれるので、少ない人数でも広い施設を管理できます。
これはまさに、技術科で学ぶ「計測・制御」の考え方がそのまま実際の農業に活かされている例なんですよ。
- 温度管理：エアコンとセンサーで年間を通して一定に保ちます。
- CO2管理：濃度を少し高めに保ち、光合成を助けます。
- 自動制御：数値のずれをコンピュータが自動で調整します。
ポイント3：水と養分の管理
植物工場の多くは、土を使わずに野菜を育てる「養液栽培」という方法を採用しています。
水にとかした肥料を根に直接あたえることで、必要な養分を無駄なく届けているんですよ。
水と養分の管理のポイントを紹介します
養液栽培のしくみ
養液栽培とは、土の代わりに水に肥料をとかした「養液」を使って野菜を育てる方法のことです。
根をウレタンやロックウールといった培地に固定し、そこへ養液を流したり、霧のように吹きかけたりして、必要な養分と水分を直接あたえています。
土を使わないので、土の中の病原菌に感染するリスクが少なく、清潔な環境で野菜を育てられるという利点もあるんですよ。
レタスや小松菜のような葉物野菜は、この養液栽培で育てられていることが特に多く、スーパーの野菜売り場でも見かけることが増えてきました。
土を耕したり入れ替えたりする作業が不要になるので、栽培にかかる手間も大きく減らすことができます。
限られた面積の中で、棚を何段にも重ねて栽培できるのも、土を使わない養液栽培ならではの強みなんです。
液肥の濃度を数値で管理する
養液の濃度は、濃すぎると根が水分を吸えなくなって傷んでしまい、逆に薄すぎると栄養不足になって元気に育ちません。
そのため植物工場では、養液の濃度を電気の通りやすさで測るセンサーを使って常に測りながら、野菜の種類や成長の段階に合わせてちょうどよい濃さになるよう自動で調整しています。
人の感覚で確かめるのではなく、数値で管理することによって、いつでも同じ品質の野菜を安定して作り続けられるようになっているんですよ。
この考え方は、料理の味つけを毎回同じにする工夫にも似ていますね。
濃度だけでなく、養液の温度やpHという酸性・アルカリ性の度合いも合わせて管理している施設が多くあります。
水と養分の管理も、光や温度の管理と同じように、数値で判断する仕事になっているんですね。
水を循環させてムダを減らす
根に吸収されなかった養液は、そのまま流してしまうのではなく、下のタンクに集めてもう一度使う「循環方式」を採用している施設が多くあります。
集めた養液は、濃度やpH、水温を測り直したうえで、必要な分だけ新しい肥料や水を足して、再び畑や栽培棚へ送り届けられます。
この循環のしくみのおかげで、水や肥料をムダにすることが少なく、限られた資源で多くの野菜を育てられる、環境にもやさしい栽培方法になっているんですよ。
使う水の量は、畑で育てる場合よりもずっと少なくて済むといわれています。
限られた資源を繰り返し使うという発想は、技術科で学ぶ「省エネルギー」や「持続可能な社会」の考え方ともつながっています。
植物工場は、農業と技術の考え方が組み合わさってできている施設だと言えますね。
- 養液栽培：土を使わず、水にとかした肥料で育てます。
- 濃度管理：センサーで測り、種類や段階に合わせて調整します。
- 循環方式：使わなかった養液を集めて再利用します。
学習内容の確認リスト
植物工場は、光・温度・CO2・水のすべてを数値で管理することで、天候に左右されない安定した生産を実現しています。
その一方で、電気代や設備費といったコストの課題も残っており、良い面と課題の両方を理解しておくことが大切です。
ここまでの内容を、次のリストで振り返っておきましょう。
- 植物工場には完全人工型と太陽光利用型の2つのタイプがあることを説明できる。
- 光の色によって茎や葉の伸び方が変わることを説明できる。
- CO2濃度を上げると光合成が進むが、上げすぎは逆効果になることを説明できる。
- 養液栽培では、水にとかした肥料を根に直接あたえていることを説明できる。
- 植物工場のメリットと、電気代などの課題の両方を1つずつ挙げられる。
よくある質問
植物工場の野菜は、ふつうの野菜と何がちがいますか
結論から言うと、育て方の環境がちがうだけで、野菜そのものの種類は畑で育てるものと同じです。
植物工場では光・温度・CO2・養分をすべて数値で管理しているため、季節や天候に関係なく、いつでも同じ品質・同じ味で収穫できるという特徴があります。
虫や病気が入りにくい閉じた空間で育てるので、農薬をほとんど使わずに済むという点も、畑の野菜との大きなちがいの一つです。
また、管理が数値で行われるため、栄養価にもばらつきが少なく、食卓に届く野菜の信頼性が高いと言えます。
電気をたくさん使うのに、環境にいいと言えるのですか
結論から言うと、電気を多く使う一方で、水や肥料のムダを大きく減らせるという良い面もあります。
養液を循環させて再利用するしくみによって、畑で育てる場合よりも使う水や肥料の量を少なく抑えられることが分かっています。
特に、雨の少ない地域や砂漠のような乾燥地では、限られた水資源を有効に利用できる点が大きな強みになるんです。
電気代や発電方法によるCO2排出をどう減らしていくかは、今の技術者たちが取り組んでいる大きな課題の一つなんですよ。
家庭でも植物工場のしくみをまねできますか
結論から言うと、簡単なものであれば家庭でも似たしくみを試すことができます。
市販の水耕栽培キットには、LEDライトとタイマー、液体肥料がセットになっているものがあり、植物工場と同じように光の時間や養分の濃さを管理しながら野菜を育てられます。
本格的な温度やCO2の自動制御までは難しくても、光と養液の管理を体験するだけでも、植物工場のしくみを実感できるはずですよ。
実際、家庭用キットで育てたレタスやバジルがどう育つかを観察することで、授業で習った光合成や養分吸収の原理が、実際に役立っていることが実感できます。
おわりに
植物工場は、光・温度・CO2・水という4つの要素を数値で管理することで、天候に左右されない安定した野菜づくりを実現しています。
その中身は、技術科で学ぶ「計測・制御」の考え方がそのまま生かされた、農業と技術が組み合わさった現場でした。
電気代などの課題を乗り越えながら、これからさらに広がっていく技術として、ぜひ覚えておいてくださいね。
ご視聴ありがとうございました。
この記事の内容を動画でも解説しています。
ぜひご覧ください。
植物工場のしくみとは？光・温度・CO2を管理する技術を中学技術でわかりやすく解説
