I ricercatori hanno studiato il “complesso di uscita” delle termiti Macrotermes michaelseni in Namibia, che sembra favorire la regolazione dell’umidità e lo scambio di gas. Hanno dimostrato che la disposizione di questa rete a forma di griglia di tunnel può intercettare il vento intorno al formicaio delle termiti, creando turbolenza all’interno, il che può alimentare la ventilazione e controllare il clima interno. Queste proprietà possono essere imitate per creare un clima confortevole negli edifici umani con poco consumo di energia.
Tra le circa 2000 specie di termiti conosciute, alcune sono ingegneri dell’ecosistema. I monticoli costruiti da alcuni generi, come Amitermes, Macrotermes, Nasutitermes e Odontotermes, possono raggiungere un’altezza di otto metri, rendendoli alcune delle strutture biologiche più grandi del mondo. La selezione naturale ha lavorato per migliorare il “design” dei loro monticoli per decine di milioni di anni. Cosa potrebbero imparare gli architetti e gli ingegneri umani se studiassero le termiti e considerassero i loro metodi?
In uno nuovo studio pubblicato su Frontiers in Materials, i ricercatori hanno dimostrato come i monticoli delle termiti possano insegnarci a creare climi interni confortevoli per i nostri edifici senza l’impronta di carbonio dei condizionatori d’aria.
“In questo studio mostriamo come il ‘complesso di uscita’, una rete intricata di tunnel interconnessi trovata nei monticoli delle termiti, possa essere utilizzato per promuovere flussi d’aria, calore e umidità in modi innovativi nell’architettura umana”, ha detto il dottor David Andréen, docente senior presso il gruppo di ricerca bioDigital Matter dell’Università di Lund e primo autore dello studio.
Termiti dalla Namibia Andréen e il co-autore dottor Rupert Soar, professore associato presso la School of Architecture, Design and the Built Environment della Nottingham Trent University, hanno studiato i monticoli di termiti Macrotermes michaelseni in Namibia. Le colonie di questa specie possono essere composte da più di un milione di individui. Al centro dei monticoli si trovano i giardini fungini simbionti, coltivati dalle termiti come cibo.
I ricercatori si sono concentrati sul complesso di uscita: una rete densa a forma di griglia di tunnel, larghi tra 3 mm e 5 mm, che collega condotti più ampi all’interno con l’esterno. Durante la stagione delle piogge (da novembre ad aprile), quando il monticolo cresce, questa si estende sulla sua superficie rivolta a nord, direttamente esposta al sole a mezzogiorno. Fuori da questa stagione, le termiti mantengono i tunnel di uscita bloccati. Si ritiene che il complesso consenta l’evaporazione dell’umidità in eccesso, mantenendo al contempo una ventilazione adeguata. Ma come funziona?
Andréen e Soar hanno esplorato come la disposizione del complesso di uscita permetta flussi oscillanti o a impulsi. Hanno basato i loro esperimenti sulla scansione e stampa 3D di un frammento del complesso di uscita, raccolto nel febbraio 2005 in natura. Questo frammento aveva uno spessore di 4 cm e un volume di 1,4 litri, di cui il 16% erano tunnel.
Hanno simulato il vento con un altoparlante che generava oscillazioni di una miscela di CO2-aria attraverso il frammento, mentre monitoravano il trasferimento di massa con un sensore. Hanno scoperto che il flusso d’aria era maggiore alle frequenze di oscillazione comprese tra 30 Hz e 40 Hz; moderato alle frequenze comprese tra 10 Hz e 20 Hz; e minore alle frequenze comprese tra 50 Hz e 120 Hz.
La turbolenza favorisce la ventilazione I ricercatori hanno concluso che i tunnel del complesso di uscita interagiscono con il vento che soffia sul monticolo in modi che migliorano il trasferimento di massa dell’aria per la ventilazione. Le oscillazioni del vento a certe frequenze generano turbolenza all’interno, il cui effetto è quello di allontanare dal cuore del monticolo i gas respiratori e l’umidità in eccesso.
“Nella ventilazione di un edificio, si desidera preservare l’equilibrio delicato di temperatura e umidità creato all’interno, senza ostacolare il movimento dell’aria stagnante verso l’esterno e dell’aria fresca verso l’interno. La maggior parte dei sistemi di climatizzazione fatica in questo. Qui abbiamo un’interfaccia strutturata che consente lo scambio di gas respiratori, semplicemente guidato dalle differenze di concentrazione tra un lato e l’altro. Le condizioni all’interno sono così mantenute”, ha spiegato Soar.
Gli autori hanno quindi simulato il complesso di uscita con una serie di modelli bidimensionali, che aumentavano in complessità da tunnel rettilinei a una griglia. Hanno utilizzato un elettromotore per far oscillare un corpo d’acqua (reso visibile con un colorante) attraverso i tunnel, e hanno filmato il flusso di massa. Hanno scoperto, a loro sorpresa, che il motore doveva muovere l’aria avanti e indietro solo di pochi millimetri (corrispondenti a deboli oscillazioni del vento) affinché l’oscillazione raggiungesse l’intero complesso. È importante sottolineare che la turbolenza necessaria si manifestava solo se la disposizione era sufficientemente simile a una griglia.
Edifici “viventi e respiranti” Gli autori concludono che il complesso di uscita può consentire la ventilazione alimentata dal vento dei monticoli delle termiti anche con venti deboli.
“Immaginiamo che le pareti degli edifici del futuro, realizzate con tecnologie emergenti come le stampanti a letto di polvere, conterranno reti simili al complesso di uscita. Queste permetteranno di muovere l’aria attraverso sensori e attuatori incorporati che richiedono solo piccole quantità di energia”, ha detto Andréen.
Soar ha concluso: “La stampa 3D su scala di costruzione sarà possibile solo quando potremo progettare strutture complesse come quelle presenti in natura. Il complesso di uscita è un esempio di una struttura complicata che potrebbe risolvere contemporaneamente molti problemi: mantenere il comfort all’interno delle nostre case, regolare il flusso di gas respiratori e umidità attraverso l’involucro dell’edificio”.
“Siamo sull’orlo della transizione verso una costruzione simile alla natura: per la prima volta potrebbe essere possibile progettare un edificio vero e proprio, vivente e respirante”.
