Termithögar avslöjar hemligheten bakom att skapa "levande och andande" byggnader som använder mindre energi

Termithögar avslöjar hemligheten bakom att skapa "levande och andande" byggnader som använder mindre energi

Tidsstämpel: 26 maj 2023 2:09
Källnod: 2680880
26 maj 2023 (Nanowerk Nyheter) Bland de cirka 2,000 XNUMX kända arterna av termiter är några ekosystemingenjörer. Högarna som byggts av vissa släkten, till exempel Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes och Odontotermes, når upp till åtta meter höga, vilket gör dem till några av världens största biologiska strukturer. Naturligt urval har arbetat med att förbättra "designen" av deras högar under tiotals miljoner år. Vad kan mänskliga arkitekter och ingenjörer lära sig om de går till termiterna och överväger deras sätt? I en ny studie i Gränser i material ("Termitinspirerade metamaterial för flödesaktiva byggnadskuvert"), visade forskare hur termithögar kan lära oss att skapa bekväma inre klimat för våra byggnader som inte har klimatavtrycket från luftkonditionering. "Här visar vi att "utgångskomplexet", ett intrikat nätverk av sammankopplade tunnlar som finns i termithögar, kan användas för att främja flöden av luft, värme och fukt på nya sätt i mänsklig arkitektur", säger Dr David Andréen, senior lektor vid forskningsgruppen bioDigital Matter vid Lunds universitet, och studiens första författare.

Termiter från Namibia

Andréen och medförfattaren Dr Rupert Soar, en docent vid School of Architecture, Design and the Built Environment vid Nottingham Trent University, studerade högar av Macrotermes michaelseni termiter från Namibia. Kolonier av denna art kan bestå av mer än en miljon individer. I hjärtat av högarna ligger de symbiotiska svampträdgårdarna, som odlas av termiter för föda. En del av utträdeskomplexet av en kulle av Macrotermes michaelseni termiter från Namibia En del av utträdeskomplexet av en kulle av Macrotermes michaelseni termiter från Namibia. (Bild: D. Andréen) Forskarna fokuserade på egresskomplexet: ett tätt, gallerliknande nätverk av tunnlar, mellan 3 mm och 5 mm breda, som förbinder bredare ledningar inuti med exteriören. Under regnperioden (november till april) när högen växer, sträcker sig denna över dess norrvända yta, direkt utsatt för middagssolen. Utanför denna säsong håller termitarbetare utgångstunnlarna blockerade. Komplexet tros tillåta avdunstning av överskottsfukt, samtidigt som tillräcklig ventilation upprätthålls. Men hur fungerar det? Andréen och Soar utforskade hur utgångskomplexets layout möjliggör oscillerande eller pulsliknande flöden. De baserade sina experiment på den skannade och 3D-printade kopian av ett utträdeskomplexfragment som samlades in i februari 2005 från naturen. Detta fragment var 4 cm tjockt med en volym på 1.4 liter, varav 16 % var tunnlar. De simulerade vind med en högtalare som drev svängningar av en CO2-luftblandning genom fragmentet, samtidigt som de spårade massöverföringen med en sensor. De fann att luftflödet var störst vid oscillationsfrekvenser mellan 30 Hz och 40 Hz; måttlig vid frekvenser mellan 10Hz och 20 Hz; och åtminstone vid frekvenser mellan 50 Hz och 120 Hz.

Turbulens hjälper ventilationen

Forskarna drog slutsatsen att tunnlar i komplexet interagerar med vinden som blåser på högen på ett sätt som förbättrar massöverföring av luft för ventilation. Vindsvängningar vid vissa frekvenser genererar turbulens inuti, vars effekt är att transportera andningsgaser och överflödig fukt bort från högens hjärta. ”När man ventilerar en byggnad vill man bevara den känsliga balansen mellan temperatur och luftfuktighet som skapas inuti, utan att hindra rörelsen av gammal luft utåt och frisk luft inåt. De flesta VVS-system kämpar med detta. Här har vi ett strukturerat gränssnitt som tillåter utbyte av andningsgaser, helt enkelt drivna av skillnader i koncentration mellan den ena sidan och den andra. Därmed bibehålls förhållandena inuti”, förklarade Soar. Författarna simulerade sedan egresskomplexet med en serie 2D-modeller, som ökade i komplexitet från raka tunnlar till ett galler. De använde en elektromotor för att driva en oscillerande vattenmassa (gjord synlig med ett färgämne) genom tunnlarna och filmade massflödet. De upptäckte, till sin förvåning, att motorn behövde flytta luft fram och tillbaka bara några millimeter (motsvarande svaga vindsvängningar) för att ebb och flod skulle penetrera hela komplexet. Viktigt är att den nödvändiga turbulensen bara uppstod om layouten var tillräckligt gallerliknande.

Levande och andande byggnader

Författarna drar slutsatsen att egresskomplexet kan möjliggöra vinddriven ventilation av termithögar vid svaga vindar. "Vi föreställer oss att byggnadsväggar i framtiden, gjorda med framväxande teknologier som pulverbäddsskrivare, kommer att innehålla nätverk som liknar egresskomplexet. Dessa kommer att göra det möjligt att flytta runt luft genom inbyggda sensorer och ställdon som bara kräver små mängder energi, säger Andréen. Soar avslutade: "Konstruktionsskala 3D-utskrift kommer bara att vara möjlig när vi kan designa strukturer lika komplexa som i naturen. Utgångskomplexet är ett exempel på en komplicerad struktur som skulle kunna lösa flera problem samtidigt: att behålla komforten i våra hem, samtidigt som det reglerar flödet av andningsgaser och fukt genom byggnadens klimatskal.” "Vi står på randen av övergången till naturliknande konstruktion: för första gången kan det vara möjligt att designa en äkta levande byggnad som andas."

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk