En forskargrupp från Technical University München, Universitetet i Freiburg, och University of Stuttgart har rapporterat om designen av mobila byggnadskomponenter såsom persienner baserade på naturligt förekommande lösningar. Syftet är att utrusta dem med drivelement som kan röra sig utan energitillförsel. Kottar, som har svullnadsreaktioner som gör att de öppnar sig när de är fuktiga eller stängs när de är torra, fungerade som modell.

Över hela världen, användningen av byggnader står för 40 procent av den totala energiförbrukningen. Ungefär hälften av energiförbrukningen används för klimatkontroll. Även om persienner och andra mobila fasadelement kan användas för att optimera byggnadsskalets transparens för värme och ljus, deras elmotorer kräver också energi.

"Hållbar arkitektur kräver akut nya material om den ska leva upp till de höga kraven på energieffektivitet och klimatskydd, " säger forskaren professor Cordt Zollfrank. Vid ordförandeskapet för biogena polymerer på Straubing Campus för bioteknik och hållbarhet av TUM, han forskar om de relaterade grundläggande principerna. Hans mål är att utveckla drivelement och ställdon som kan omvandla signaler till mekaniska rörelser utan att förbruka energi.

Tillsammans med arkitekter, civilingenjörer och botaniker, han har hittat nya metoder som använder naturliga mekanismer för att förbättra energibalansen i byggnader. I en gemensam artikel i facktidskriften Avancerade material , teamet rapporterar om läget för forskningen inom detta område, och visar modellernas möjligheter från växtvärlden.

Material ersätter motor

Mogna tall- och grankottar stänger sina fjäll när det regnar för att skydda fröna. Dock, när det är torrt, de öppnar upp för att släppa dem. Under denna rörelse, cellväggarnas sammansättning spelar en avgörande roll. De består huvudsakligen av lignin, som inte sväller mycket, och cellulosa, vilket gör det. På grund av cellulosafibrillernas olika orientering i fjällens vävnad, de böjer sig inåt när luftfuktigheten är hög, och utåt när det är torrt.

"Det spännande med detta är att energin för dessa rörelser inte kommer från metaboliska processer, men enbart från fysikaliska mekanismer och materialegenskaper, säger professor Zollfrank. Via kombinationen av material med varierande svullnadsbenägenhet, han har utvecklat biomimetiska drivelement som kallas ställdon. Dessa element är sammansatta av två lager av material som absorberar varierande mängder vätska och beter sig på samma sätt som deras naturligt förekommande modeller.

Dock, innan de kan användas i stor skala inom arkitektur, materialforskarna behöver fortfarande lösa ett problem som påverkar skalbarheten:Ju större cellen eller vävnaden, ju längre tid det tar för vattnet att tränga in i sina porer. Något som tar två timmar i en kotte tar flera år i en byggnad. Därav, för att använda den hydrauliska dynamiken hos kottar för applikationer inom arkitektur, forskare måste övervinna en fysisk gräns.

För det här syftet, Zollfrank föreslår en typ av omstruktureringsprocess på materialnivå. "Vi frikopplar vävnadsstorleken och tar det hela till storleken på en enskild cell, " förklarar han. Via smart utvalda tvärlänkar, ett löst cellkomplex skapas vars enskilda komponenter ändå fungerar som enskilda celler och absorberar vatten extremt snabbt.

"Frågan är nu hur sådana tvärlänkar kan utformas så effektivt som möjligt och hur man skapar dem i valfri storlek, säger Zollfrank. Men, för senare praktiska tillämpningar, han kan också föreställa sig porösa biopolymermaterial vars porer är fyllda med en extremt hydrofil vätska (hydrogel). Materialforskare arbetar redan med detta. Det är bara en tidsfråga innan de avgör vilken lösning som i slutändan kommer att ta sig in i framtidens arkitektur.