Zephyrnet-logo

Termietenheuvels onthullen het geheim van het creëren van 'levende en ademende' gebouwen die minder energie verbruiken

Datum:

26 mei 2023 (Nanowerk Nieuws) Van de ongeveer 2,000 bekende soorten termieten zijn sommige ecosysteemingenieurs. De heuvels die door sommige geslachten zijn gebouwd, bijvoorbeeld Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes en Odontotermes, reiken tot acht meter hoog, waardoor ze tot de grootste biologische structuren ter wereld behoren. Natuurlijke selectie is al tientallen miljoenen jaren aan het werk om het 'ontwerp' van hun heuvels te verbeteren. Wat kunnen menselijke architecten en ingenieurs leren als ze naar de termieten gaan en nadenken over hun wegen? In een nieuwe studie in Grenzen in materialen ("Op termieten geïnspireerde metamaterialen voor stromingsactieve bouwschilden"), lieten onderzoekers zien hoe termietenheuvels ons kunnen leren om comfortabele binnenklimaten te creëren voor onze gebouwen die niet de ecologische voetafdruk hebben van airconditioning. "Hier laten we zien dat het 'uitgangscomplex', een ingewikkeld netwerk van onderling verbonden tunnels gevonden in termietenheuvels, kan worden gebruikt om stromingen van lucht, warmte en vocht op nieuwe manieren in menselijke architectuur te bevorderen," zei dr. David Andréen, een senior docent aan de onderzoeksgroep bioDigital Matter van de Universiteit van Lund, en de eerste auteur van het onderzoek.

Termieten uit Namibië

Andréen en co-auteur dr. Rupert Soar, universitair hoofddocent aan de School of Architecture, Design and the Built Environment aan de Nottingham Trent University, bestudeerden terpen van Macrotermes michaelseni-termieten uit Namibië. Kolonies van deze soort kunnen uit meer dan een miljoen individuen bestaan. In het hart van de heuvels liggen de symbiotische schimmeltuinen, gekweekt door de termieten voor voedsel. Een deel van het uitgangscomplex van een heuvel van Macrotermes michaelseni termieten uit Namibië Een deel van het uitgangscomplex van een heuvel van Macrotermes michaelseni termieten uit Namibië. (Afbeelding: D. Andréen) De onderzoekers concentreerden zich op het uitgangscomplex: een dicht, roosterachtig netwerk van tunnels, tussen 3 mm en 5 mm breed, dat bredere leidingen binnenin met de buitenkant verbindt. Tijdens het regenseizoen (november tot april) wanneer de heuvel groeit, strekt deze zich uit over het naar het noorden gerichte oppervlak, direct blootgesteld aan de middagzon. Buiten dit seizoen houden termietenwerkers de uitgangstunnels geblokkeerd. Aangenomen wordt dat het complex verdamping van overtollig vocht mogelijk maakt, terwijl voldoende ventilatie behouden blijft. Maar hoe werkt het? Andréen en Soar onderzochten hoe de lay-out van het uitgangscomplex oscillerende of pulsachtige stromen mogelijk maakt. Ze baseerden hun experimenten op de gescande en 3D-geprinte kopie van een uitgaand complex fragment dat in februari 2005 uit het wild was verzameld. Dit fragment was 4 cm dik met een inhoud van 1.4 liter, waarvan 16% tunnels. Ze simuleerden wind met een luidspreker die oscillaties van een CO2-luchtmengsel door het fragment joeg, terwijl ze de massaoverdracht volgden met een sensor. Ze ontdekten dat de luchtstroom het grootst was bij oscillatiefrequenties tussen 30 Hz en 40 Hz; matig bij frequenties tussen 10 Hz en 20 Hz; en in ieder geval bij frequenties tussen 50 Hz en 120 Hz.

Turbulentie helpt ventilatie

De onderzoekers concludeerden dat tunnels in het complex interageren met de wind die op de heuvel waait op een manier die de massaoverdracht van lucht voor ventilatie verbetert. Windoscillaties op bepaalde frequenties genereren binnenin turbulentie, waarvan het effect is om ademhalingsgassen en overtollig vocht weg te voeren van het hart van de heuvel. “Bij het ventileren van een gebouw wil je het delicate evenwicht tussen temperatuur en vochtigheid binnen behouden, zonder de beweging van muffe lucht naar buiten en verse lucht naar binnen te belemmeren. De meeste HVAC-systemen worstelen hiermee. Hier hebben we een gestructureerde interface die de uitwisseling van ademhalingsgassen mogelijk maakt, simpelweg aangedreven door verschillen in concentratie tussen de ene kant en de andere. De omstandigheden binnen worden zo gehandhaafd”, legt Soar uit. De auteurs simuleerden vervolgens het uitgangscomplex met een reeks 2D-modellen, die in complexiteit toenamen van rechte tunnels naar een rooster. Ze gebruikten een elektromotor om een ​​oscillerend waterlichaam (zichtbaar gemaakt met een kleurstof) door de tunnels te drijven en filmden de massastroom. Ze ontdekten tot hun verbazing dat de motor slechts enkele millimeters lucht heen en weer hoefde te bewegen (overeenkomend met zwakke windschommelingen) om de eb en vloed het hele complex te laten doordringen. Belangrijk is dat de nodige turbulentie pas ontstond als de lay-out voldoende roosterachtig was.

Levende en ademende gebouwen

De auteurs concluderen dat het uitgangscomplex door wind aangedreven ventilatie van termietenheuvels bij zwakke wind mogelijk kan maken. “We stellen ons voor dat het bouwen van muren in de toekomst, gemaakt met opkomende technologieën zoals poederbedprinters, netwerken zal bevatten die vergelijkbaar zijn met het uitgangscomplex. Deze zullen het mogelijk maken om lucht te verplaatsen, door middel van ingebouwde sensoren en actuatoren die slechts kleine hoeveelheden energie nodig hebben, "zei Andréen. Soar concludeerde: “3D-printen op constructieschaal is alleen mogelijk als we structuren kunnen ontwerpen die zo complex zijn als in de natuur. Het uitgangscomplex is een voorbeeld van een gecompliceerde constructie die meerdere problemen tegelijk zou kunnen oplossen: het comfort in onze huizen behouden, terwijl de stroom van ademgassen en vocht door de gebouwschil wordt gereguleerd.” “We staan ​​aan de vooravond van de transitie naar natuurgetrouw bouwen: voor het eerst is het misschien mogelijk om een ​​echt levend, ademend gebouw te ontwerpen.”
spot_img

Laatste intelligentie

spot_img