Componenti mobili in edifici come persiane, la cui struttura è basata su coni di legno di conifere, che si aprono o si chiudono in caso di secchezza a causa del diverso comportamento di rigonfiamento del loro tessuto. Credito:C. Zollfrank/ TUM
Un gruppo di ricerca dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, Università di Friburgo, e l'Università di Stoccarda ha riferito sulla progettazione di componenti mobili per l'edilizia come le tende basate su soluzioni naturali. L'obiettivo è dotarli di elementi di azionamento in grado di muoversi senza apporto di energia. Pigne, che hanno risposte di gonfiore che li fanno aprire quando sono umidi o si chiudono quando sono asciutti, servito da modello.
In tutto il mondo, l'uso degli edifici rappresenta il 40 per cento del consumo totale di energia. Circa la metà del consumo energetico viene utilizzata per il controllo del clima. Sebbene le tende e altri elementi mobili della facciata possano essere utilizzati per ottimizzare la trasparenza dell'involucro dell'edificio per il calore e la luce, anche i loro motori elettrici richiedono energia.
"L'architettura sostenibile richiede urgentemente nuovi materiali se vuole essere all'altezza dei requisiti di elevata efficienza energetica e protezione del clima, " afferma il ricercatore professor Cordt Zollfrank. Alla cattedra di polimeri biogeni presso lo Straubing Campus for Biotechnology and Sustainability of the TUM, sta ricercando i relativi principi di base. Il suo obiettivo è sviluppare elementi di azionamento e attuatori in grado di convertire i segnali in movimenti meccanici senza consumare energia.
Insieme agli architetti, ingegneri civili e botanici, ha trovato nuovi metodi che utilizzano meccanismi naturali per migliorare il bilancio energetico degli edifici. In un articolo congiunto sulla rivista specializzata Materiale avanzato , il team riferisce sullo stato della ricerca in questo settore, e dimostra le possibilità dei modelli del mondo vegetale.
Il modello per le componenti mobili degli edifici sono coni di legno di conifere, che si aprono (a destra) o si chiudono in secchezza a causa del diverso comportamento di rigonfiamento del loro tessuto. Credito:C. Zollfrank/ TUM
Il materiale sostituisce il motore
Pigne e abeti maturi chiudono le squame quando piove per proteggere i semi. Però, quando è asciutto, si aprono per liberarli. Durante questo movimento, la composizione delle pareti cellulari gioca un ruolo cruciale. Sono composti principalmente da lignina, che non si gonfia molto, e cellulosa, che fa. A causa del diverso orientamento delle fibrille di cellulosa nel tessuto delle squame, si curvano verso l'interno quando l'umidità è alta, e verso l'esterno quando è asciutto.
"La cosa eccitante di questo è che l'energia per questi movimenti non proviene da processi metabolici, ma esclusivamente da meccanismi fisici e proprietà dei materiali, " dice il professor Zollfrank. Attraverso la combinazione di materiali con diverse propensioni al rigonfiamento, ha sviluppato elementi di azionamento biomimetici chiamati attuatori. Questi elementi sono composti da due strati di materiali che assorbono quantità variabili di liquido e si comportano in modo simile ai loro modelli naturali.
Coni di conifere, che utilizzano i diversi comportamenti di rigonfiamento dei loro tessuti per aprirsi quando sono umidi o chiudersi quando sono asciutti. Credito:C. Zollfrank/ TUM
Però, prima che possano essere utilizzati su larga scala in architettura, i ricercatori del materiale devono ancora risolvere un problema che influisce sulla scalabilità:più grande è la cellula o il tessuto, maggiore è il tempo necessario all'acqua per penetrare nei suoi pori. Qualcosa che dura due ore in una pigna richiede diversi anni in un edificio. Quindi, al fine di utilizzare la dinamica idraulica delle pigne per applicazioni in architettura, i ricercatori devono superare un limite fisico.
Per questo scopo, Zollfrank propone un tipo di processo di ristrutturazione a livello materiale. "Disaccoppiamo la dimensione del tessuto e portiamo il tutto alla grandezza di una singola cellula, " spiega. Tramite collegamenti incrociati abilmente scelti, viene creato un complesso di cellule sciolte i cui singoli componenti agiscono comunque come singole cellule e assorbono l'acqua in modo estremamente rapido.
"La domanda ora è come questi collegamenti incrociati possono essere progettati nel modo più efficiente possibile e come crearli in qualsiasi dimensione, " dice Zollfrank. Tuttavia, per applicazioni pratiche successive, può anche immaginare materiali biopolimerici porosi i cui pori sono riempiti con un liquido estremamente idrofilo (idrogel). I ricercatori sui materiali stanno già lavorando su questo. È solo una questione di tempo prima che stabiliscano quale soluzione alla fine si farà strada nell'architettura del futuro.
