Αρκετά είδη τερμιτών -ανάμεσα στα 2.00 περίπου γνωστά- εμφανίζουν ιδιαίτερες ικανότητες στην μηχανική οικοσυστημάτων. Οι φωλιές ορισμένων -όπως των Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes, and Odontotermes- φτάνουν σε ύψος έως και τα οκτώ μέτρα, αποτελώντας έτσι μερικές από τις μεγαλύτερες δομές βιολογικής κατασκευής στον κόσμο. Η φυσική επιλογή είναι αυτή που, εδώ και δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, οδηγεί την βελτίωση των κατασκευών αυτών. Τι θα μπορούσαν, άραγε, να αποκομίσουν οι αρχιτέκτονες και οι μηχανικοί μας, μελετώντας τους τρόπους με τους οποίους χτίζουν οι τερμίτες;
Σε μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό “Frontiers in Materials”, οι ερευνητές έδειξαν ότι οι αποικίες των τερμιτών μπορούν να μας μάθουν πως να δημιουργούμε ένα άνετο και υγιεινό κλίμα στο εσωτερικό των κτιρίων μας, χωρίς το αποτύπωμα άνθρακα του κλιματισμού.
«Αυτό που δείχνουμε είναι ότι το “σύμπλεγμα εξόδου”, ένα περίπλοκο δίκτυο διασυνδεδεμένων σηράγγων που βρίσκουμε στις φωλιές των τερμιτών, μπορεί να εξελίξει μέ πρωτόγνωρους τρόπους τις ροές αέρα, θερμότητας και υγρασίας στην ανθρώπινη αρχιτεκτονική», δηλώνει ο Δρ. David Andréen, λέκτορας στην ερευνητική ομάδα bioDigital Matter του Πανεπιστημίου Lund και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Τερμίτες από τη Ναμίμπια
Ο Andréen και ο Dr. Rupert Soar, αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Αρχιτεκτονικής, Σχεδιασμού και Δομημένου Περιβάλλοντος στο “Nottingham Trent University”, μελέτησαν φωλιές των τερμιτών “Macrotermes michaelseni” της Ναμίμπια. Οι πληθυσμοί των αποικιών του είδους αυτού, πολλές φορές υπερβαίνουν το ένα εκατομμύριο άτομα. Στην καρδιά της κατασκευής βρίσκονται οι “κήποι” με τους συμβιωτικούς μύκητες, που καλλιεργούν για τροφή οι τερμίτες.
Οι ερευνητές εστίασαν στο σύμπλεγμα εξόδου: ένα πυκνό, δίκτυο σηράγγων, με πλάτος μεταξύ 3 και 5 χιλιοστών, το οποίο συνδέει τους ευρύτερους αγωγούς του εσωτερικού με το εξωτερικό περβάλλον. Κατά τη διάρκεια της περιόδου των βροχών (από το Νοέμβριο έως τον Απρίλιο) αυτό εκτείνεται στη βόρεια επιφάνειά του, κάτι που του επιτρέπει να εκτίθεται στον μεσημεριανό ήλιο. Τις άλλες εποχές, οι εργάτες των τερμιτών κλείνουν αυτές τις σήραγγες εξόδου. Το σύμπλεγμα επιτρέπει την εξάτμιση της περίσσειας υγρασίας, παρέχοντας παράλληλα επαρκή αερισμό. Πώς λειτουργεί όμως όλο αυτό;
Οι Andréen και Soar μελέτησαν το πώς η διάταξη του συμπλέγματος εξόδου επιτρέπει ταλαντευόμενες ροές ή ροές με παλμική συμπεριφορά. Εκτέλεσαν τα πειράματά τους χρησιμοποιώντας ένα αντίγραφο (σάρωση και 3D εκτύπωση) ενός τμήματος συμπλέγματος εξόδου που συλλέχτηκε τον Φεβρουάριο του 2005. Το τμήμα αυτό είχε πάχος 4 cm και όγκο 1,4 λίτρα, το 16% του οποίου ήταν σήραγγες.
Προσομοίωσαν τον άνεμο μέσω ενός ηχείου που έστελνε μέσα στο θραύσμα ταλαντώσεις ενός μίγματος διοξειδίου του άνθρακα και αέρα, παρακολουθώντας παράλληλα την μεταφορά μάζας με έναν αισθητήρα. Βρήκαν ότι η ροή του αέρα ήταν ισχυρότερη σε συχνότητες ταλάντωσης μεταξύ 30 Hz και 40 Hz· μέτρια σε συχνότητες μεταξύ 10 Hz και 20 Hz· και ασθενής σε συχνότητες μεταξύ 50Hz και 120Hz.
Η τύρβη βοηθά τον αερισμό
Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι σήραγγες του συμπλέγματος αλληλεπιδρούν με τον άνεμο που συναντά την φωλιά με τρόπους που ενισχύουν τη μεταφορά αέριας μάζας για αερισμό. Οι ταλαντώσεις του ανέμου σε ορισμένες συχνότητες δημιουργούν τυρβώδεις ροές στο εσωτερικό, που έχουν ως αποτέλεσμα την μεταφορά των αναπνευστικών αερίων και της περίσσειας υγρασίας μακριά από την καρδιά της αποικίας.
«Όταν αερίζετε ένα κτίριο, θέλετε να διατηρήσετε τη λεπτή ισορροπία θερμοκρασίας και υγρασίας που δημιουργείται στο εσωτερικό, χωρίς να εμποδίζετε την κίνηση του μπαγιάτικου αέρα προς τα έξω και του φρέσκου αέρα προς τα μέσα. Τα περισσότερα συστήματα HVAC (Θέρμανση, Εξαερισμός και Κλιματισμός) δίνουν μεγάλο αγώνα στην προσπάθεια να το πετύχουν αυτό. Εδώ έχουμε μια δομημένη διεπαφή που επιτρέπει την ανταλλαγή αναπνευστικών αερίων, οδηγούμενη απλώς από τις διαφορές στη συγκέντρωση μεταξύ της μίας πλευράς και της άλλης. Έτσι οι συνθήκες στο εσωτερικό διατηρούνται», εξηγεί ο Soar.
Στη συνέχεια, οι συγγραφείς προσομοίωσαν το σύμπλεγμα εξόδου με μια σειρά από 2D μοντέλα με κλιμακούμενη πολυπλοκότητα· ξεκινώντας από ευθείες σήραγγες και φτάνοντας σε πλέγματα. Με χρήση ενός ηλεκτροκινητήρα μπορούσαν να οδηγούν ταλαντευόμενες ποσότητες νερού (ορατές μέσω βαφής) μέσα από τις σήραγγες, κινηματογραφώντας ταυτόχρονα την ροή της μάζας. Με έκπληξη, διαπίστωσαν ότι ο κινητήρας αρκούσε να μετακινεί μπρος-πίσω την μάζα μόνο κατά μερικά χιλιοστά (κάτι που αντιστοιχεί σε ασθενείς ταλαντώσεις ανέμου) για να διαπεράσει ολόκληρο το σύμπλεγμα η περιοδική διαταραχή. Σημαντικό είναι επίσης, ότι η απαραίτητη τυρβώδης συμπεριφορά προέκυπτε μόνο όταν η διάταξη είχε αρκούντως δομή πλέγματος.
Κτίρια που ζουν και αναπνέουν
Οι συγγραφείς καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι το σύμπλεγμα εξόδου μπορεί να επιτρέψει τον αερισμό των φωλιών των τερμιτών από ασθενείς ανέμους.
«Φανταζόμαστε τους τοίχους του μέλλοντος -που θα είναι κατασκευασμένοι με νέες με τεχνολογίες, όπως οι εκτυπωτές 3D- να περιέχουν δίκτυα παρόμοια με το σύμπλεγμα εξόδου. Κάτι τέτοιο θα επιτρέπει την κίνηση του αέρα στο εσωτερικό τους, μέσω ενσωματωμένων αισθητήρων και μηχανισμών κίνησης που απαιτούν ελάχιστες μόνο ποσότητες ενέργειας», δηλώνει o Andréen.
Και ο Soar καταλήγει: «Τέτοιου είδους κατασκευές θα είναι δυνατές μόνο όταν μπορέσουμε να σχεδιάσουμε δομές τόσο περίπλοκες όπως αυτές στη φύση. Το σύμπλεγμα εξόδου αποτελεί παράδειγμα περίπλοκης δομής που δύναται να λύσει πολλά προβλήματα ταυτόχρονα: διατηρώντας το ιδανικό κλίμα μέσα στα σπίτια μας, ενώ παράλληλα ρυθμίζει τις ροές των αναπνευστικών αερίων και της υγρασίας στο κτίριο».
«Βρισκόμαστε στο χείλος της μετάβασης προς την δημιουργία κατασκευών που μοιάζουν με αυτές της φύσης: για πρώτη φορά, έχουμε την δυνατότητα να σχεδιάσουμε αληθινά κτίρια που ζουν και αναπνέουν».
Παραπομπές: Termite-inspired metsamaterials for flow-active building envelopes, Frontiers in Materials (2023). DOI: 10.3389/fmats.2023.1126974
Πηγή: https://blog.frontiersin.org/
