Een onderzoeksteam van de Technische Universiteit München, Universiteit van Freiburg, en de Universiteit van Stuttgart hebben gerapporteerd over het ontwerp van mobiele bouwcomponenten zoals jaloezieën op basis van natuurlijk voorkomende oplossingen. Het doel is om ze uit te rusten met aandrijfelementen die kunnen bewegen zonder energietoevoer. Dennenappels, die zwellingsreacties hebben waardoor ze openen als ze vochtig zijn of sluiten als ze droog zijn, diende als model.

Wereldwijd, het gebruik van gebouwen is goed voor 40 procent van het totale energieverbruik. Ongeveer de helft van het stroomverbruik wordt gebruikt voor klimaatbeheersing. Hoewel jaloezieën en andere mobiele gevelelementen kunnen worden gebruikt om de transparantie van de gebouwschil voor warmte en licht te optimaliseren, hun elektromotoren hebben ook energie nodig.

"Duurzame architectuur heeft dringend nieuwe materialen nodig om te kunnen voldoen aan de hoge eisen op het gebied van energie-efficiëntie en klimaatbescherming, ", zegt onderzoeker professor Cordt Zollfrank. Bij de leerstoel Biogene Polymers op de Straubing Campus for Biotechnology and Sustainability van de TUM, hij doet onderzoek naar de daarbij behorende uitgangspunten. Zijn doel is om aandrijfelementen en actuatoren te ontwikkelen die signalen kunnen omzetten in mechanische bewegingen zonder energie te verbruiken.

Samen met architecten, civiel ingenieurs en botanici, hij heeft nieuwe methoden gevonden die natuurlijke mechanismen gebruiken om de energiebalans van gebouwen te verbeteren. In een gezamenlijk artikel in het vaktijdschrift Geavanceerde materialen , het team rapporteert over de stand van het onderzoek op dit gebied, en demonstreert de mogelijkheden van de modellen uit de plantenwereld.

Materiaal vervangt motor

Rijpe dennen- en dennenappels sluiten hun schubben als het regent om de zaden te beschermen. Echter, als het droog is, ze openen zich om ze vrij te laten. Tijdens deze beweging, de samenstelling van de celwanden speelt een cruciale rol. Ze bestaan ​​voornamelijk uit lignine, die niet veel zwelt, en cellulose, wat doet. Door de verschillende oriëntatie van de cellulosefibrillen in het weefsel van de schubben, ze buigen naar binnen als de luchtvochtigheid hoog is, en naar buiten als het droog is.

"Het spannende hieraan is dat de energie voor deze bewegingen niet afkomstig is van stofwisselingsprocessen, maar uitsluitend van fysieke mechanismen en materiaaleigenschappen, ", zegt professor Zollfrank. Door de combinatie van materialen met verschillende zweleigenschappen, hij heeft biomimetische aandrijfelementen ontwikkeld die actuatoren worden genoemd. Deze elementen zijn samengesteld uit twee lagen materialen die verschillende hoeveelheden vloeistof absorberen en zich hetzelfde gedragen als hun natuurlijk voorkomende modellen.

Echter, voordat ze op grote schaal in de architectuur kunnen worden gebruikt, de materiaalonderzoekers moeten nog één probleem oplossen dat de schaalbaarheid beïnvloedt:hoe groter de cel of het weefsel, hoe langer de tijd die het water nodig heeft om in de poriën te dringen. Iets wat in een dennenappel twee uur duurt, duurt in een gebouw meerdere jaren. Vandaar, om de hydraulische dynamiek van dennenappels te gebruiken voor toepassingen in de architectuur, onderzoekers moeten een fysieke limiet overwinnen.

Voor dit doeleinde, Zollfrank stelt een soort herstructureringsproces voor op materieel niveau. "We ontkoppelen de weefselgrootte en brengen het geheel naar de grootte van een individuele cel, " legt hij uit. Via slim gekozen dwarsverbanden, er ontstaat een los cellencomplex waarvan de afzonderlijke componenten zich toch als afzonderlijke cellen gedragen en extreem snel water opnemen.

"De vraag is nu hoe dergelijke crosslinks zo efficiënt mogelijk kunnen worden ontworpen en hoe ze in elk formaat kunnen worden gemaakt, " zegt Zollfrank. Echter, voor latere praktische toepassingen, hij kan zich ook poreuze biopolymeermaterialen voorstellen waarvan de poriën gevuld zijn met een extreem hydrofiele vloeistof (hydrogel). Materiaalonderzoekers zijn hier al mee bezig. Het is slechts een kwestie van tijd voordat zij bepalen welke oplossing uiteindelijk in de architectuur van de toekomst terecht zal komen.