Termitenhügel enthüllen das Geheimnis der Schaffung „lebender und atmender“ Gebäude, die weniger Energie verbrauchen

26. Mai 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Unter den rund 2,000 bekannten Termitenarten sind einige Ökosystemingenieure. Die von einigen Gattungen errichteten Hügel, zum Beispiel Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes und Odontotermes, erreichen eine Höhe von bis zu acht Metern und gehören damit zu den größten biologischen Strukturen der Welt. Die natürliche Selektion hat über Dutzende Millionen Jahre hinweg daran gearbeitet, das „Design“ ihrer Hügel zu verbessern. Was könnten menschliche Architekten und Ingenieure lernen, wenn sie zu den Termiten gehen und über ihre Wege nachdenken? In einer neuen Studie in Grenzen in Materialien („Termiten-inspirierte Metamaterialien für strömungsaktive Gebäudehüllen“) zeigten Forscher, wie Termitenhügel uns beibringen können, ein angenehmes Innenklima für unsere Gebäude zu schaffen, das nicht den COXNUMX-Fußabdruck einer Klimaanlage hat. „Hier zeigen wir, dass der ‚Austrittskomplex‘, ein kompliziertes Netzwerk miteinander verbundener Tunnel in Termitenhügeln, genutzt werden kann, um Luft-, Wärme- und Feuchtigkeitsströme auf neuartige Weise in der menschlichen Architektur zu fördern“, sagte Dr. David Andréen, ein Senior Dozent an der bioDigital Matter-Forschungsgruppe der Universität Lund und Erstautor der Studie.

Termiten aus Namibia

Andréen und Co-Autor Dr. Rupert Soar, außerordentlicher Professor an der School of Architecture, Design and the Built Environment der Nottingham Trent University, untersuchten Hügel von Macrotermes michaelseni-Termiten aus Namibia. Kolonien dieser Art können aus mehr als einer Million Individuen bestehen. Im Herzen der Hügel liegen die symbiotischen Pilzgärten, die von den Termiten als Nahrung bewirtschaftet werden. Teil des Austrittskomplexes eines Hügels von Macrotermes michaelseni-Termiten aus Namibia. (Bild: D. Andréen) Die Forscher konzentrierten sich auf den Ausgangskomplex: ein dichtes, gitterartiges Netzwerk aus Tunneln mit einer Breite zwischen 3 mm und 5 mm, das breitere Leitungen im Inneren mit dem Äußeren verbindet. Während der Regenzeit (November bis April), wenn der Hügel wächst, erstreckt er sich über seine nach Norden ausgerichtete Oberfläche und ist direkt der Mittagssonne ausgesetzt. Außerhalb dieser Saison halten Termitenarbeiter die Ausgangstunnel blockiert. Der Komplex soll die Verdunstung überschüssiger Feuchtigkeit ermöglichen und gleichzeitig eine ausreichende Belüftung gewährleisten. Aber wie funktioniert es? Andréen und Soar untersuchten, wie die Anordnung des Ausgangskomplexes oszillierende oder pulsierende Strömungen ermöglicht. Sie basierten ihre Experimente auf der gescannten und 3D-gedruckten Kopie eines Fragments des Egress-Komplexes, das im Februar 2005 in der Wildnis gesammelt wurde. Dieses Fragment war 4 cm dick und hatte ein Volumen von 1.4 Litern, 16 % davon waren Tunnel. Sie simulierten Wind mit einem Lautsprecher, der Schwingungen eines CO2-Luft-Gemisches durch das Fragment trieb und gleichzeitig den Stofftransport mit einem Sensor verfolgte. Sie fanden heraus, dass der Luftstrom bei Oszillationsfrequenzen zwischen 30 Hz und 40 Hz am größten war; mäßig bei Frequenzen zwischen 10 Hz und 20 Hz; und am wenigsten bei Frequenzen zwischen 50 Hz und 120 Hz.

Turbulenzen unterstützen die Belüftung

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Tunnel im Komplex mit dem auf dem Hügel wehenden Wind auf eine Weise interagieren, die den Massenaustausch der Luft zur Belüftung verbessert. Windschwingungen mit bestimmten Frequenzen erzeugen im Inneren Turbulenzen, deren Wirkung darin besteht, Atemgase und überschüssige Feuchtigkeit aus dem Herzen des Hügels wegzuleiten. „Wenn Sie ein Gebäude belüften, möchten Sie das empfindliche Gleichgewicht von Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Inneren aufrechterhalten, ohne die Bewegung verbrauchter Luft nach außen und frischer Luft nach innen zu behindern. Die meisten HVAC-Systeme haben damit zu kämpfen. Hier haben wir eine strukturierte Schnittstelle, die den Austausch von Atemgasen ermöglicht, einfach angetrieben durch Konzentrationsunterschiede zwischen einer Seite und der anderen. Dadurch bleiben die Bedingungen im Inneren erhalten“, erklärte Soar. Anschließend simulierten die Autoren den Ausgangskomplex mit einer Reihe von 2D-Modellen, deren Komplexität von geraden Tunneln zu einem Gitter zunahm. Mithilfe eines Elektromotors trieben sie einen oszillierenden Wasserkörper (mit einem Farbstoff sichtbar gemacht) durch die Tunnel und filmten den Massenstrom. Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass der Motor die Luft nur wenige Millimeter hin und her bewegen musste (was schwachen Windschwankungen entspricht), damit Ebbe und Flut den gesamten Komplex durchdringen konnten. Wichtig ist, dass die notwendigen Turbulenzen nur dann auftraten, wenn die Anordnung ausreichend gitterartig war.

Lebendige und atmende Gebäude

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass der Ausgangskomplex eine windbetriebene Belüftung von Termitenhügeln bei schwachem Wind ermöglichen kann. „Wir stellen uns vor, dass Gebäudewände, die mit neuen Technologien wie Pulverbettdruckern hergestellt werden, in Zukunft Netzwerke enthalten werden, die dem Ausgangskomplex ähneln. „Diese werden es ermöglichen, Luft durch eingebettete Sensoren und Aktoren zu bewegen, die nur winzige Mengen Energie benötigen“, sagte Andréen. Soar kam zu dem Schluss: „3D-Druck im Baumaßstab wird nur möglich sein, wenn wir Strukturen entwerfen können, die so komplex sind wie in der Natur.“ Der Egress-Komplex ist ein Beispiel für eine komplizierte Struktur, die mehrere Probleme gleichzeitig lösen könnte: den Komfort in unseren Häusern aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Fluss von Atemgasen und Feuchtigkeit durch die Gebäudehülle zu regulieren.“ „Wir stehen am Rande des Übergangs zum naturähnlichen Bauen: Zum ersten Mal ist es möglicherweise möglich, ein wirklich lebendiges, atmendes Gebäude zu entwerfen.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=63067.php