Ερευνητές στα πανεπιστήμια της Στουτγάρδης και του Φράιμπουργκ ανέπτυξαν ένα νέο, ενεργειακά αυτόνομο σύστημα πρόσοψης που προσαρμόζεται παθητικά στις καιρικές συνθήκες. Το περιοδικό «Nature Communications» δημοσίευσε τα αποτελέσματα της έρευνας.

Χρησιμοποιώντας βιοεμπνευσμένο σχεδιασμό, φυσικά υλικά και ευρέως προσβάσιμες τεχνολογίες, ερευνητές στα πανεπιστήμια της Στουτγάρδης και του Φράιμπουργκ ανέπτυξαν το σύστημα πρόσοψης «Solar Gate» -το πρώτο σύστημα σκίασης που προσαρμόζεται στις καιρικές συνθήκες και λειτουργεί χωρίς ηλεκτρική ενέργεια. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τους μηχανισμούς κίνησης των κουκουναριών ως μοντέλο για την «Solar Gate», η οποία ανοίγει και κλείνει ανάλογα με τις αλλαγές στην υγρασία και τη θερμοκρασία χωρίς να καταναλώνει μεταβολική ενέργεια. Η ομάδα κατάφερε να αναπαράγει την ανισότροπη (εξαρτώμενη από την κατεύθυνση) δομή της κυτταρίνης στους φυτικούς ιστούς χρησιμοποιώντας τυπικούς τρισδιάστατους εκτυπωτές. Τα αποτελέσματα της έρευνας έχουν δημοσιευτεί στο περιοδικό «Nature Communications».

Photographs by ICD/IntCDC University of Stuttgart

Photographs by ICD/IntCDC University of Stuttgart

«Οι περισσότερες προσπάθειες για την προσαρμογή των αρχιτεκτονικών προσόψεων στις καιρικές συνθήκες βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε περίτεχνες τεχνικές συσκευές. Η έρευνά μας διερευνά πώς μπορούμε να αξιοποιήσουμε την ανταπόκριση του ίδιου του υλικού μέσω προηγμένου υπολογιστικού σχεδιασμού και προσθετικής κατασκευής», αναφέρει ο καθηγητής Achim Menges, επικεφαλής του Ινστιτούτου Υπολογιστικού Σχεδιασμού και Κατασκευής (ICD) και εκπρόσωπος του Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης. «Επιτυγχάνουμε ένα σύστημα σκίασης που ανοίγει και κλείνει αυτόνομα σε απόκριση στις αλλαγές του καιρού, χωρίς την ανάγκη για λειτουργική ενέργεια ή οποιαδήποτε μηχανικά στοιχεία. Η μηχανή είναι ίδια η δομή του βιοϋλικού».

Βιοβασικά υγρομορφικά υλικά και βιοεμπνευσμένη 4D εκτύπωση

Η κυτταρίνη είναι ένα φυσικό, άφθονο και ανανεώσιμο υλικό που διογκώνεται και συρρικνώνεται με τις διακυμάνσεις της υγρασίας. Αυτή η ιδιότητα, γνωστή ως υγρομορφισμός, παρατηρείται συχνά στη φύση, για παράδειγμα στο άνοιγμα και το κλείσιμο των φολίδων των κουκουναριών ή στις ταξιανθίες του γαϊδουράγκαθου. Η ερευνητική ομάδα αξιοποίησε αυτήν την υγρομορφική ιδιότητα κατασκευάζοντας κατά παραγγελία ίνες κυτταρίνης βιομάζας και εκτυπώνοντάς τες με 4D εκτύπωση σε μια διστρωματική δομή εμπνευσμένη από τη δομή του κουκουναριού.

Τα συστήματα υλικών που παράγονται με αυτήν την τεχνική προσθετικής κατασκευής που ονομάζεται 4D εκτύπωση μπορούν να αλλάξουν αυτόνομα το σχήμα τους σε απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα. Για την «Solar Gate», οι ερευνητές ανέπτυξαν μια υπολογιστική μέθοδο κατασκευής για τον έλεγχο της εξώθησης κυτταρινικών υλικών χρησιμοποιώντας έναν τυπικό τρισδιάστατο εκτυπωτή, καθιστώντας δυνατή την αξιοποίηση της αυτοδιαμορφούμενης και αναστρέψιμης συμπεριφοράς του συστήματος υλικών που εκτυπώνονται με 4D εκτύπωση. Σε υψηλή υγρασία, τα κυτταρινικά υλικά απορροφούν υγρασία και διαστέλλονται, προκαλώντας την κάμψη και το άνοιγμα των τυπωμένων στοιχείων. Αντίθετα, σε χαμηλή υγρασία, τα κυτταρινικά υλικά απελευθερώνουν υγρασία και συστέλλονται, προκαλώντας την ισοπέδωση και το κλείσιμο των τυπωμένων στοιχείων.

«Εμπνευσμένο από τις υγροσκοπικές κινήσεις των φολίδων των κουκουναριών και των ταξιανθιών του γαϊδουράγκαθου, το “Solar Gate” κατάφερε να μεταφράσει όχι μόνο την υψηλή λειτουργικότητα και την ανθεκτικότητα των βιολογικών μοντέλων σε ένα βιοεμπνευσμένο σύστημα σκίασης, αλλά και την αισθητική των κινήσεων των φυτών. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ο “μεγάλος δρόμος της βιονικής”, καθώς όλα όσα μας συναρπάζουν σχετικά με τις γεννήτριες βιολογικών εννοιών έχουν επίσης υλοποιηθεί στο βιοεμπνευσμένο αρχιτεκτονικό προϊόν», τονίζει ο καθηγητής Thomas Speck, επικεφαλής του Ομίλου Βιομηχανικής Φυτών του Φράιμπουργκ και εκπρόσωπος του Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) στο Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ.

Αρχιτεκτονική ενσωμάτωση αυτοδιαμορφούμενων στοιχείων

Η ερευνητική ομάδα δοκίμασε τη λειτουργικότητα και την ανθεκτικότητα του βιοεμπνευσμένου προσαρμοστικού συστήματος σκίασης σε πραγματικές καιρικές συνθήκες για πάνω από ένα χρόνο. Το “Solar Gate” εγκαταστάθηκε στη συνέχεια στο livMatS Biomimetic Shell, ένα κτιριακό επίδειξης του Cluster of Excellence IntCDC και του Cluster of Excellence livMatS, το οποίο χρησιμεύει ως ερευνητικό κτίριο του Πανεπιστημίου του Φράιμπουργκ.

Το σύστημα σκίασης έχει εγκατασταθεί στον φεγγίτη με νότιο προσανατολισμό, το οποίο βοηθά στη ρύθμιση του εσωτερικού κλίματος του κτιρίου. Κατά τη διάρκεια του χειμώνα, τα στοιχεία σκίασης που έχουν αναπτυχθεί με 4D εκτύπωση ανοίγουν για να επιτρέψουν την είσοδο του ηλιακού φωτός για φυσική θέρμανση. Το καλοκαίρι, κλείνουν για να ελαχιστοποιήσουν την ηλιακή ακτινοβολία. Με την τροφοδοσία αποκλειστικά από τους καθημερινούς και εποχιακούς καιρικούς κύκλους, αυτή η προσαρμοστική διαδικασία λειτουργεί χωρίς καμία παροχή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το “Solar Gate” αντιπροσωπεύει επομένως μια ενεργειακά αυτόνομη και αποδοτική ως προς τους πόρους εναλλακτική λύση στα συμβατικά συστήματα σκίασης. Καθώς τα κτίρια ευθύνονται για σημαντικό ποσοστό των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα λόγω της συνήθως υψηλής ενέργειας που απαιτείται για τη διατήρηση της εσωτερικής άνεσης, η μείωση της ενέργειας που απαιτείται για θέρμανση, ψύξη και αερισμό είναι ύψιστης σημασίας. Το “Solar Gate” υπογραμμίζει τις δυνατότητες των προσβάσιμων, οικονομικά αποδοτικών τεχνολογιών, όπως η προσθετική κατασκευή, και δείχνει πώς η κυτταρίνη, ως ένα άφθονο, ανανεώσιμο υλικό, μπορεί να συμβάλει σε βιώσιμες αρχιτεκτονικές λύσεις.