Kopce termitów wzorem dla „oddychających” budynków przyszłości

Klimatyzacja przyszłości powstanie dzięki technikom opracowanym przez termity

Badania nad kopcami termitów mogą pomóc w tworzeniu „żywych i oddychających” budynków, które zużywają mniej energii – informuje pismo „Frontiers in Materials”. Zdaniem specjalistów dzięki inspiracjom czerpanym z tego źródła może powstać klimatyzacja nowego typu.

Termity inspiracją dla inżynierów i architektów

.Znanych jest około 2 tys. gatunków termitów. „Projekty” ich kopców były udoskonalane przez dziesiątki milionów lat. Kopce zbudowane przez niektóre rodzaje, na przykład Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes i Odontotermes, osiągają wysokość do ośmiu metrów i należą do największych biologicznych struktur na świecie. Zdaniem specjalistów owady te mogą wiele nauczyć inżynierów i architektów.

David Andréen z uniwersytetu w Lund (Szwecja) oraz współautor, dr Rupert Soar z Nottingham Trent University, badali kopce termitów Macrotermes michaelseni z Namibii aby się przekonać, w jaki sposób bez pozostawiającej ślad węglowy klimatyzacji w ich kopcach udaje się utrzymać optymalne warunki. Kolonie Macrotermes michaelseni mogą liczyć ponad milion osobników. W centrum kopców położone są „ogrody” z symbiotycznymi grzybami, hodowanymi przez termity na pokarm.

Badacze skupili się na „kompleksie wyjściowym”: gęstej sieci tuneli o szerokości od 3 do 5 mm, która łączy szersze kanały wewnętrzne z zewnętrznymi. W porze deszczowej (od listopada do kwietnia), kiedy kopiec jest rozbudowywany, kompleks rozciąga się na jego północnej powierzchni, bezpośrednio wystawionej na działanie południowego słońca. Poza tym sezonem robotnicy termitów blokują tunele wyjściowe. Uważa się, że kompleks umożliwia odparowanie nadmiaru wilgoci, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej wentylacji.

Andréen i Soar zbadali, w jaki sposób układ kompleksu umożliwia przepływy oscylacyjne lub pulsacyjne. Oparli swoje eksperymenty na zeskanowanej i wydrukowanej w 3D kopii fragmentu kompleksu, zebranego w naturze w lutym 2005 r.

„Pokazujemy, że kompleks wyjściowy, skomplikowana sieć połączonych ze sobą tuneli znalezionych w kopcach termitów, może być w nowatorski sposób wykorzystany do promowania przepływu powietrza, ciepła i wilgoci w ludzkiej architekturze” – powiedział dr Andréen.

Klimatyzacja niepozostawiająca śladu węglowego

.Badacze symulowali wiatr za pomocą głośnika, który napędzał oscylacje mieszanki CO2 i powietrza, jednocześnie śledząc przenoszenie masy za pomocą czujnika. Jak się okazało, przepływ powietrza był największy przy częstotliwościach oscylacji między 30 Hz a 40 Hz, umiarkowany przy częstotliwościach między 10 Hz a 20 Hz, zaś najmniejszy przy częstotliwościach między 50 Hz a 120 Hz.

Naukowcy doszli do wniosku, że tunele w kompleksie wchodzą w interakcję z wiatrem w sposób, który zwiększa przepływ masy powietrza, zapewniając wentylację. Oscylacje wiatru o określonych częstotliwościach generują turbulencje wewnątrz kopca, których efektem jest przenoszenie gazów oddechowych i nadmiaru wilgoci z dala od centrum kopca.

„Wentylując budynek, chcesz zachować delikatną równowagę między temperaturą a wilgotnością powstającą wewnątrz, bez utrudniania ruchu zużytego powietrza na zewnątrz i świeżego do wewnątrz. Większość systemów klimatyzacyjnych ma z tym problem. Tutaj mamy zorganizowany kompleks, który umożliwia wymianę gazów oddechowych, po prostu napędzanych różnicami w stężeniu między jedną a drugą stroną. W ten sposób warunki wewnątrz są zachowane” – wyjaśnił Soar.

Naukowcy przeprowadzili symulację kompleksu wyjścia za pomocą serii modeli o wzrastającej złożoności.

Użyli silnika elektrycznego do napędzania oscylacji wodnego roztworu barwnika przez tunele i sfilmowali przepływ. Co zaskakujące, silnik musiał przesunąć roztwór tam i z powrotem tylko o kilka milimetrów (co odpowiada słabym oscylacjom wiatru), aby przypływy i odpływy przeniknęły przez cały kompleks. Niezbędne turbulencje pojawiały się tylko przy odpowiednim układzie tuneli.

Autorzy publikacji doszli do wniosku, że kompleks wylotowy może umożliwić napędzaną wiatrem wentylację kopców termitów przy słabym wietrze.

„Wyobrażamy sobie, że ściany budynków w przyszłości, wykonane przy użyciu nowych technologii, takich jak drukarki 3D, będą zawierały sieci podobne do kompleksu wyjściowego” – powiedział Andréen.

„Drukowanie 3D w skali konstrukcyjnej będzie możliwe tylko wtedy, gdy będziemy mogli projektować konstrukcje tak złożone, jak w naturze. Kompleks wyjściowy jest przykładem skomplikowanej konstrukcji, która może rozwiązać wiele problemów jednocześnie: utrzymanie komfortu w naszych domach, przy jednoczesnej regulacji przepływ gazów oddechowych i wilgoci przez przegrody zewnętrzne budynku” – podsumował Soar.

Czego możemy nauczyć się od zwierząt?

.„Zachowania społeczne zwierząt i ludzi łączy zaskakująco dużo podobieństw. Uczy nas to, że mimo ogromnej bioróżnorodności niektóre prawa regulujące zjawiska społeczne obserwowane w świecie istot żywych mają charakter w dużej mierze uniwersalny” – pisze prof. Ewa J. GODZIŃSKA, specjalistka w zakresie etologii oraz socjobiologii z Pracowni Etologii Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN w Warszawie.

Jak podkreśla, „to święta prawda, że w kupie raźniej. W języku nauki prawidłowość tę określa się jako społeczne buforowanie strachu (lub stresu). Zjawisko to można zaobserwować już u ryb. Jednym z modelowych gatunków zwierzęcych używanych w badaniach biomedycznych jest obecnie niewielka rybka danio pręgowany. Gdy rybki z tego gatunku eksponowano na działanie bodźców chemicznych pełniących u nich funkcję sygnałów alarmowych, zachowania świadczące o ich strachu, takie jak chaotyczne pływanie lub znieruchomienie, były mniej nasilone, jeśli badany osobnik postrzegał jednocześnie bodźce chemiczne lub wzrokowe świadczące o bliskości innych osobników. Bodźce wzrokowe wpływały przy tym silniej na zachowania rybek niż bodźce chemiczne”.

„Zjawisko społecznego buforowania stresu występuje nawet u mrówek. Już od dawna znany jest silny negatywny wpływ izolacji na przeżywalność owadów społecznych. Istnieje nawet powiedzenie, że można hodować jedną krowę czy jedną kozę, ale nie można hodować jednej pszczoły. Ciekawy przykład społecznego buforowania stresu udokumentowały badania naszego zespołu (Pracownia Etologii Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN) u mrówek amazonek. Amazonki uprawiają odmianę pasożytnictwa społecznego, określaną jako niewolnictwo, i na dłuższą metę nie są w stanie żyć bez pomocy swoich niewolnic, mrówek z innego gatunku, porywanych przez nie z macierzystego gniazda jeszcze w stadium poczwarki. Jak wykazaliśmy, w warunkach izolacji społecznej amazonki przeżywały dłużej, jeśli zapewniano im towarzystwo zaledwie jednej mrówki pochodzącej z tej samej kolonii. Co najciekawsze, efekt ten występował również wtedy, gdy była nią inna amazonka. Nie była to niewolnica, więc nie mogła jej wiele pomóc, ale najwyraźniej sama obecność towarzyszki redukowała u amazonek stres będący wynikiem społecznej izolacji. Niestety, efekt ten był stosunkowo krótkotrwały i zanikał już po upłynięciu trzech dni izolacji. Należy też jednak pamiętać, że zwierzęta mogą nie tylko wzajemnie się uspokajać, ale także przekazywać sobie negatywne emocje, a w szczególności, jak to się określa, zarażać się strachem” – pisze prof. Ewa J. GODZIŃSKA.

Kwestię podobieństw między światem ludzi i zwierząt badaczka rozwija w artykule opublikowanym we „Wszystko co Najważniejsze”.

PAP/Paweł Wernicki/WszystkoCoNajważniejsze/PP

Materiał chroniony prawem autorskim. Dalsze rozpowszechnianie wyłącznie za zgodą wydawcy. 31 maja 2023