I termitai rivelano il segreto per creare edifici "viventi e respiranti" che consumano meno energia

I termitai rivelano il segreto per creare edifici "viventi e respiranti" che consumano meno energia

Timestamp: 26 maggio 2023 2:09
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26 maggio 2023 (Notizie Nanowerk) Tra le circa 2,000 specie conosciute di termiti, alcune sono ingegneri dell'ecosistema. I tumuli costruiti da alcuni generi, ad esempio Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes e Odontotermes, raggiungono fino a otto metri di altezza, rendendoli alcune delle strutture biologiche più grandi del mondo. La selezione naturale ha lavorato per migliorare il "design" dei loro tumuli per decine di milioni di anni. Cosa potrebbero imparare gli architetti e gli ingegneri umani se andassero dalle termiti e considerassero le loro abitudini? In un nuovo studio in Frontiere nei materiali (“Metamateriali ispirati alle termiti per involucri edilizi attivi nel flusso”), i ricercatori hanno mostrato come i termitai possono insegnarci a creare un clima interno confortevole per i nostri edifici che non hanno l'impronta di carbonio dell'aria condizionata. "Qui dimostriamo che il 'complesso di uscita', un'intricata rete di tunnel interconnessi trovati nei termitai, può essere utilizzato per favorire i flussi di aria, calore e umidità in modi nuovi nell'architettura umana", ha affermato il dott. David Andréen, un senior docente presso il gruppo di ricerca sulla materia biodigitale dell'Università di Lund e primo autore dello studio.

Termiti della Namibia

Andréen e il coautore Dr Rupert Soar, professore associato presso la School of Architecture, Design and the Built Environment della Nottingham Trent University, hanno studiato i cumuli di termiti Macrotermes michaelseni della Namibia. Le colonie di questa specie possono essere costituite da più di un milione di individui. Al centro dei tumuli si trovano i giardini di funghi simbiotici, coltivati ​​dalle termiti per il cibo. Parte del complesso di uscita di un tumulo di termiti Macrotermes michaelseni della Namibia Parte del complesso di uscita di un tumulo di termiti Macrotermes michaelseni della Namibia. (Immagine: D. Andréen) I ricercatori si sono concentrati sul complesso di uscita: una fitta rete di tunnel simili a reticoli, larghi tra 3 mm e 5 mm, che collega condotti più ampi all'interno con l'esterno. Durante la stagione delle piogge (da novembre ad aprile), quando il tumulo cresce, questo si estende sulla sua superficie esposta a nord, direttamente esposta al sole di mezzogiorno. Al di fuori di questa stagione, i lavoratori delle termiti tengono bloccati i tunnel di uscita. Il complesso è pensato per consentire l'evaporazione dell'umidità in eccesso, pur mantenendo un'adeguata ventilazione. Ma come funziona? Andréen e Soar hanno esplorato come la disposizione del complesso di uscita consenta flussi oscillanti o simili a impulsi. Hanno basato i loro esperimenti sulla copia scansionata e stampata in 3D di un frammento complesso in uscita raccolto nel febbraio 2005 in natura. Questo frammento aveva uno spessore di 4 cm con un volume di 1.4 litri, il 16% dei quali erano tunnel. Hanno simulato il vento con un altoparlante che guidava le oscillazioni di una miscela CO2-aria attraverso il frammento, monitorando il trasferimento di massa con un sensore. Hanno scoperto che il flusso d'aria era maggiore a frequenze di oscillazione comprese tra 30 Hz e 40 Hz; moderata a frequenze comprese tra 10Hz e 20 Hz; e almeno a frequenze comprese tra 50Hz e 120Hz.

La turbolenza aiuta la ventilazione

I ricercatori hanno concluso che i tunnel nel complesso interagiscono con il vento che soffia sul tumulo in modi che migliorano il trasferimento di massa dell'aria per la ventilazione. Le oscillazioni del vento a determinate frequenze generano turbolenze all'interno, il cui effetto è quello di allontanare i gas respiratori e l'umidità in eccesso dal cuore del tumulo. “Quando si ventila un edificio si vuole preservare il delicato equilibrio di temperatura e umidità che si crea all'interno, senza ostacolare il movimento dell'aria viziata verso l'esterno e quella fresca verso l'interno. La maggior parte dei sistemi HVAC lotta con questo. Qui abbiamo un'interfaccia strutturata che permette lo scambio di gas respiratori, guidato semplicemente dalle differenze di concentrazione tra una parte e l'altra. Le condizioni all'interno vengono così mantenute”, ha spiegato Soar. Gli autori hanno quindi simulato il complesso di uscita con una serie di modelli 2D, che sono aumentati in complessità da tunnel rettilinei a un reticolo. Hanno usato un motore elettrico per guidare un corpo d'acqua oscillante (reso visibile con un colorante) attraverso i tunnel e hanno filmato il flusso di massa. Hanno scoperto, con loro sorpresa, che il motore aveva bisogno di muovere l'aria avanti e indietro solo di pochi millimetri (corrispondenti alle deboli oscillazioni del vento) affinché il flusso e il riflusso penetrassero nell'intero complesso. È importante sottolineare che la turbolenza necessaria si è verificata solo se il layout era sufficientemente simile a un reticolo.

Edifici viventi e che respirano

Gli autori concludono che il complesso di uscita può consentire la ventilazione eolica dei termitai con venti deboli. “Immaginiamo che la costruzione di muri in futuro, realizzati con tecnologie emergenti come le stampanti a letto di polvere, conterrà reti simili al complesso di uscita. Questi renderanno possibile spostare l'aria attraverso sensori e attuatori incorporati che richiedono solo piccole quantità di energia", ha affermato Andréen. Soar ha concluso: “La stampa 3D su scala edilizia sarà possibile solo quando saremo in grado di progettare strutture complesse come in natura. Il complesso di uscita è un esempio di una struttura complicata che potrebbe risolvere più problemi contemporaneamente: mantenere il comfort all'interno delle nostre case, regolando il flusso di gas respiratori e umidità attraverso l'involucro dell'edificio. "Siamo sull'orlo della transizione verso una costruzione simile alla natura: per la prima volta, potrebbe essere possibile progettare un vero edificio vivente e che respira".

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