Termity inspirują

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.

Dr David Andr,en 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.

Andr,en 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 Andr,en.

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 (DOI 10.3389/fmats.2023.1126974) 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 Andr,en.

"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.

Paweł Wernicki