Термітники розкривають секрет створення «живих і дихаючих» будівель, які споживають менше енергії

Термітники розкривають секрет створення «живих і дихаючих» будівель, які споживають менше енергії

Мітка часу: 26 травня 2023 2:09
Вихідний вузол: 2680880
26 травня 2023 (Новини Nanowerk) Серед приблизно 2,000 відомих видів термітів деякі є інженерами екосистем. Кургани, побудовані деякими родами, наприклад Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes і Odontotermes, досягають висоти до восьми метрів, що робить їх одними з найбільших біологічних структур у світі. Природний відбір працював, покращуючи «дизайн» їхніх курганів протягом десятків мільйонів років. Чого можуть дізнатися людські архітектори та інженери, якщо підуть до термітів і подумають про їхні шляхи? У новому дослідженні в Межі в матеріалах («Метаматеріали, натхненні термітами, для огороджувальних конструкцій, що активні потоком»), дослідники показали, як термітники можуть навчити нас створювати комфортний внутрішній клімат для наших будівель, які не мають вуглецевого сліду кондиціонування повітря. «Тут ми показуємо, що «вихідний комплекс», заплутану мережу взаємопов’язаних тунелів, знайдених у термітниках, можна використовувати для сприяння потокам повітря, тепла та вологи новими способами в людській архітектурі», — сказав доктор Девід Андрен, старший викладач дослідницької групи біоцифрової матерії Лундського університету та перший автор дослідження.

Терміти з Намібії

Андрен і співавтор, доктор Руперт Соар, доцент Школи архітектури, дизайну та антропогенного середовища в Університеті Ноттінгема Трент, досліджували кургани термітів Macrotermes michaelseni з Намібії. Колонії цього виду можуть складатися з понад мільйона особин. У центрі курганів лежать симбіотичні грибні сади, вирощені термітами для їжі. Частина вихідного комплексу кургану термітів Macrotermes michaelseni з Намібії Частина вихідного комплексу кургану термітів Macrotermes michaelseni з Намібії. (Зображення: D. Andréen) Дослідники зосередилися на вихідному комплексі: щільній, схожій на решітку мережі тунелів шириною від 3 мм до 5 мм, яка з’єднує ширші канали всередині з зовнішнім. Під час сезону дощів (з листопада по квітень), коли курган росте, він простягається над його поверхнею, що виходить на північ, прямо піддається полуденному сонцю. Поза цим сезоном працівники термітників блокують вихідні тунелі. Вважається, що комплекс дозволяє випаровувати надлишкову вологу, зберігаючи належну вентиляцію. Але як це працює? Андреен і Соар дослідили, як компонування вихідного комплексу забезпечує коливальні або імпульсні потоки. Вони заснували свої експерименти на відсканованій та надрукованій на 3D копії фрагмента вихідного комплексу, зібраного в лютому 2005 року з дикої природи. Цей уламок мав товщину 4 см і об’єм 1.4 л, 16% з яких становили тунелі. Вони імітували вітер за допомогою динаміка, який керував коливаннями суміші CO2-повітря через фрагмент, одночасно відстежуючи масообмін за допомогою датчика. Вони виявили, що потік повітря був найбільшим при частотах коливань від 30 Гц до 40 Гц; помірний на частотах від 10 Гц до 20 Гц; і принаймні на частотах від 50 Гц до 120 Гц.

Турбулентність сприяє вентиляції

Дослідники прийшли до висновку, що тунелі в комплексі взаємодіють з вітром, що дме на курган таким чином, щоб посилити масообмін повітря для вентиляції. Коливання вітру на певних частотах створюють турбулентність усередині, яка відносить дихальні гази та надлишкову вологу від серця кургану. «Провітрюючи будівлю, ви хочете зберегти тонкий баланс температури та вологості, створений усередині, не перешкоджаючи руху затхлого повітря назовні та свіжого повітря всередину. Більшість систем HVAC борються з цим. Тут ми маємо структурований інтерфейс, який дозволяє обмінюватися дихальними газами, просто керуючись різницею концентрації між однією та іншою сторонами. Умови всередині таким чином підтримуються», – пояснив Соар. Потім автори змоделювали вихідний комплекс за допомогою серії 2D-моделей, складність яких збільшилася від прямих тунелів до решітки. Вони використовували електромотор, щоб рухати коливається тіло води (зроблене видимим за допомогою барвника) крізь тунелі, і знімали масовий потік. Вони виявили, на свій подив, що двигуну потрібно рухати повітря вперед-назад лише на кілька міліметрів (що відповідає слабким коливанням вітру), щоб припливи та відпливи проникли через весь комплекс. Важливо відзначити, що необхідна турбулентність виникала лише в тому випадку, якщо макет був достатньо ґратчастим.

Живі та дихаючі будівлі

Автори приходять до висновку, що вихідний комплекс може забезпечувати вітрову вентиляцію термітників при слабкому вітрі. «Ми припускаємо, що стіни в майбутньому, створені за допомогою новітніх технологій, таких як порошкові принтери, міститимуть мережі, подібні до вихідного комплексу. Це дозволить рухати повітря через вбудовані датчики та виконавчі механізми, які потребують лише крихітної кількості енергії», – сказав Андрен. Соар зробив висновок: «3D-друк будівельного масштабу стане можливим лише тоді, коли ми зможемо проектувати такі складні конструкції, як у природі. Вихідний комплекс є прикладом складної конструкції, яка може вирішити кілька проблем одночасно: зберегти комфорт у наших домівках, одночасно регулюючи потік дихальних газів і вологи через огороджувальні конструкції». «Ми стоїмо на порозі переходу до природного будівництва: вперше можливо спроектувати справжню живу, дихаючу будівлю».

Часова мітка:

Більше від Нановерк