Kopce termitów ujawniają sekret tworzenia „żywych i oddychających” budynków, które zużywają mniej energii

Kopce termitów ujawniają sekret tworzenia „żywych i oddychających” budynków, które zużywają mniej energii

Znacznik czasu: 26 maja 2023 2:09
Węzeł źródłowy: 2680880
26 maja 2023 r. (Wiadomości Nanowerk) Spośród około 2,000 znanych gatunków termitów, niektóre są inżynierami ekosystemów. Kopce zbudowane przez niektóre rodzaje, na przykład Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes i Odontotermes, osiągają wysokość do ośmiu metrów, co czyni je jednymi z największych struktur biologicznych na świecie. Dobór naturalny pracował nad ulepszeniem „projektu” ich kopców przez dziesiątki milionów lat. Czego mogą się nauczyć architekci i inżynierowie, jeśli pójdą do termitów i zastanowią się nad swoimi drogami? W nowym badaniu w Granice w materiałach („Metamateriały inspirowane termitami do aktywnych przegród budowlanych”) naukowcy wykazali, w jaki sposób kopce termitów mogą nauczyć nas tworzenia komfortowego klimatu we wnętrzach naszych budynków, które nie mają śladu węglowego klimatyzacji. „Tutaj pokazujemy, że„ kompleks wyjściowy ”, skomplikowana sieć połączonych ze sobą tuneli znalezionych w kopcach termitów, może być wykorzystana do promowania przepływu powietrza, ciepła i wilgoci w nowatorski sposób w ludzkiej architekturze” - powiedział dr David Andréen, starszy wykładowca w grupie badawczej bioDigital Matter na Uniwersytecie w Lund i pierwszy autor badania.

Termity z Namibii

Andréen i współautor, dr Rupert Soar, profesor nadzwyczajny w School of Architecture, Design and the Built Environment na Nottingham Trent University, badali kopce termitów Macrotermes michaelseni z Namibii. Kolonie tego gatunku mogą liczyć ponad milion osobników. W sercu kopców leżą symbiotyczne ogrody z grzybami, hodowane przez termity w celu zdobycia pożywienia. Część kompleksu wyjściowego kopca termitów Macrotermes michaelseni z Namibii Część kompleksu wyjściowego kopca termitów Macrotermes michaelseni z Namibii. (Zdj.: D. Andréen) Naukowcy skupili się na kompleksie wyjściowym: gęstej sieci tuneli przypominającej kratę, o szerokości od 3 mm do 5 mm, która łączy szersze kanały wewnętrzne z zewnętrznymi. W porze deszczowej (od listopada do kwietnia), kiedy kopiec rośnie, rozciąga się on na jego północnej powierzchni, bezpośrednio wystawionej na południowe słońce. Poza tym sezonem pracownicy termitów blokują tunele wyjściowe. Kompleks ma umożliwić odparowanie nadmiaru wilgoci, przy zachowaniu odpowiedniej wentylacji. Ale jak to działa? Andréen i Soar zbadali, w jaki sposób układ kompleksu wylotowego umożliwia przepływy oscylacyjne lub pulsacyjne. Oparli swoje eksperymenty na zeskanowanej i wydrukowanej w 3D kopii fragmentu kompleksu wyjściowego, zebranego w lutym 2005 r. w środowisku naturalnym. Fragment ten miał grubość 4 cm i objętość 1.4 litra, z czego 16% stanowiły tunele. Symulowali wiatr za pomocą głośnika, który napędzał oscylacje mieszanki CO2 i powietrza przez fragment, jednocześnie śledząc transfer masy za pomocą czujnika. Odkryli, że przepływ powietrza był największy przy częstotliwościach oscylacji między 30 Hz a 40 Hz; umiarkowane przy częstotliwościach między 10 Hz a 20 Hz; a przynajmniej przy częstotliwościach między 50 Hz a 120 Hz.

Turbulencja pomaga w wentylacji

Naukowcy doszli do wniosku, że tunele w kompleksie wchodzą w interakcję z wiatrem wiejącym na kopcu w sposób, który poprawia przepływ masy powietrza w celu wentylacji. Oscylacje wiatru o określonej częstotliwości generują turbulencje wewnątrz kopca, których efektem jest odprowadzanie gazów oddechowych i nadmiaru wilgoci z serca kopca. „Wentylując budynek, chcesz zachować delikatną równowagę temperatury i wilgotności panującej wewnątrz, bez utrudniania ruchu stęchłego powietrza na zewnątrz i świeżego powietrza do wewnątrz. Większość systemów HVAC ma z tym problem. Tutaj mamy ustrukturyzowany interfejs, który umożliwia wymianę gazów oddechowych, po prostu napędzaną różnicami w stężeniu między jedną a drugą stroną. W ten sposób utrzymane są warunki panujące wewnątrz” — wyjaśnił Soar. Następnie autorzy przeprowadzili symulację kompleksu wyjściowego za pomocą serii modeli 2D, których złożoność wzrosła od prostych tuneli do siatki. Użyli silnika elektrycznego do napędzania oscylującego zbiornika wodnego (widocznego za pomocą barwnika) przez tunele i sfilmowali przepływ masowy. Ku swemu zaskoczeniu odkryli, że silnik musiał przesunąć powietrze tam iz powrotem zaledwie o kilka milimetrów (co odpowiada słabym oscylacjom wiatru), aby przypływy i odpływy przeniknęły przez cały kompleks. Co ważne, niezbędne turbulencje pojawiały się tylko wtedy, gdy układ był wystarczająco podobny do sieci.

Żywe i oddychające budynki

Autorzy doszli do wniosku, że kompleks wylotowy może umożliwić napędzaną wiatrem wentylację kopców termitów przy słabym wietrze. „Wyobrażamy sobie, że ściany budynków w przyszłości, wykonane przy użyciu nowych technologii, takich jak drukarki proszkowe, będą zawierały sieci podobne do kompleksu egress. Umożliwią one przemieszczanie powietrza za pomocą wbudowanych czujników i siłowników, które wymagają jedynie niewielkich ilości energii” – powiedział Andréen. Soar podsumował: „Drukowanie 3D w skali konstrukcyjnej będzie możliwe tylko wtedy, gdy będziemy mogli projektować konstrukcje tak złożone, jak w naturze. Kompleks ewakuacyjny jest przykładem skomplikowanej konstrukcji, która może rozwiązać wiele problemów jednocześnie: utrzymanie komfortu w naszych domach, przy jednoczesnej regulacji przepływu gazów oddechowych i wilgoci przez przegrodę budynku”. „Jesteśmy na skraju przejścia w kierunku konstrukcji przypominających naturalne: po raz pierwszy możliwe jest zaprojektowanie prawdziwie żywego, oddychającego budynku”.

Znak czasu:

Więcej z Nanowerk