Los montículos de termitas revelan el secreto para crear edificios 'vivos y respiradores' que usan menos energía

Los montículos de termitas revelan el secreto para crear edificios 'vivos y respiradores' que usan menos energía

Sello de tiempo: 26 de mayo de 2023 2:09 p.m.
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26 de mayo de 2023 (Noticias de Nanowerk) Entre las aproximadamente 2,000 especies conocidas de termitas, algunas son ingenieras de ecosistemas. Los montículos construidos por algunos géneros, por ejemplo Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes y Odontotermes, alcanzan hasta ocho metros de altura, lo que los convierte en algunas de las estructuras biológicas más grandes del mundo. La selección natural ha estado trabajando para mejorar el "diseño" de sus montículos durante decenas de millones de años. ¿Qué podrían aprender los arquitectos e ingenieros humanos si van a las termitas y consideran sus caminos? En un nuevo estudio en Fronteras en materiales (“Metamateriales inspirados en termitas para envolventes de edificios de flujo activo”), los investigadores demostraron cómo los montículos de termitas pueden enseñarnos a crear climas interiores confortables para nuestros edificios que no tienen la huella de carbono del aire acondicionado. "Aquí mostramos que el 'complejo de salida', una intrincada red de túneles interconectados que se encuentra en los montículos de termitas, se puede utilizar para promover los flujos de aire, calor y humedad de formas novedosas en la arquitectura humana", dijo el Dr. David Andréen, un senior profesor del grupo de investigación bioDigital Matter de la Universidad de Lund y primer autor del estudio.

Termitas de Namibia

Andréen y el coautor, el Dr. Rupert Soar, profesor asociado de la Escuela de Arquitectura, Diseño y Entorno Construido de la Universidad de Nottingham Trent, estudiaron montículos de termitas Macrotermes michaelseni de Namibia. Las colonias de esta especie pueden constar de más de un millón de individuos. En el corazón de los montículos se encuentran los jardines de hongos simbióticos, cultivados por las termitas como alimento. Parte del complejo de salida de un montículo de termitas Macrotermes michaelseni de Namibia Parte del complejo de salida de un montículo de termitas Macrotermes michaelseni de Namibia. (Imagen: D. Andréen) Los investigadores se centraron en el complejo de salida: una densa red de túneles en forma de celosía, de entre 3 mm y 5 mm de ancho, que conecta conductos más anchos en el interior con el exterior. Durante la temporada de lluvias (noviembre a abril) cuando el montículo está creciendo, este se extiende sobre su superficie orientada al norte, expuesto directamente al sol del mediodía. Fuera de esta temporada, los trabajadores de las termitas mantienen bloqueados los túneles de salida. El complejo está pensado para permitir la evaporación del exceso de humedad, manteniendo una ventilación adecuada. pero como funciona? Andréen y Soar exploraron cómo el diseño del complejo de salida permite flujos oscilantes o similares a pulsos. Basaron sus experimentos en la copia escaneada e impresa en 3D de un fragmento del complejo de salida recolectado en febrero de 2005 de la naturaleza. Este fragmento tenía 4 cm de espesor con un volumen de 1.4 litros, de los cuales el 16% eran túneles. Simularon el viento con un altavoz que generaba oscilaciones de una mezcla de aire y CO2 a través del fragmento, mientras rastreaban la transferencia de masa con un sensor. Descubrieron que el flujo de aire era mayor en frecuencias de oscilación entre 30 Hz y 40 Hz; moderado a frecuencias entre 10 Hz y 20 Hz; y al menos a frecuencias entre 50 Hz y 120 Hz.

La turbulencia ayuda a la ventilación.

Los investigadores concluyeron que los túneles en el complejo interactúan con el viento que sopla sobre el montículo de manera que mejoran la transferencia masiva de aire para la ventilación. Las oscilaciones del viento a ciertas frecuencias generan turbulencias en el interior, cuyo efecto es alejar los gases respiratorios y el exceso de humedad del corazón del montículo. “Al ventilar un edificio, desea preservar el delicado equilibrio de temperatura y humedad creado en el interior, sin impedir el movimiento del aire viciado hacia el exterior y el aire fresco hacia el interior. La mayoría de los sistemas HVAC luchan con esto. Aquí tenemos una interfaz estructurada que permite el intercambio de gases respiratorios, simplemente impulsado por las diferencias de concentración entre un lado y el otro. Por lo tanto, las condiciones en el interior se mantienen”, explicó Soar. Luego, los autores simularon el complejo de salida con una serie de modelos 2D, que aumentaron en complejidad de túneles rectos a una celosía. Usaron un motor eléctrico para impulsar un cuerpo de agua oscilante (que se hizo visible con un tinte) a través de los túneles y filmaron el flujo másico. Descubrieron, para su sorpresa, que el motor necesitaba mover el aire hacia adelante y hacia atrás solo unos pocos milímetros (lo que corresponde a las débiles oscilaciones del viento) para que el flujo y reflujo penetrara en todo el complejo. Es importante destacar que la turbulencia necesaria solo surgió si el diseño era lo suficientemente parecido a un enrejado.

Edificios que viven y respiran

Los autores concluyen que el complejo de salida puede permitir la ventilación eólica de los montículos de termitas con vientos débiles. “Imaginamos que los muros de construcción en el futuro, hechos con tecnologías emergentes como impresoras de cama de polvo, contendrán redes similares al complejo de salida. Estos permitirán mover el aire a través de sensores y actuadores integrados que solo requieren pequeñas cantidades de energía”, dijo Andréen. Soar concluyó: “La impresión 3D a escala de construcción solo será posible cuando podamos diseñar estructuras tan complejas como en la naturaleza. El complejo de salida es un ejemplo de una estructura complicada que podría resolver múltiples problemas simultáneamente: mantener la comodidad dentro de nuestros hogares, mientras se regula el flujo de gases respiratorios y humedad a través de la envolvente del edificio”. “Estamos al borde de la transición hacia una construcción similar a la naturaleza: por primera vez, puede ser posible diseñar un edificio que realmente viva y respire”.

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