De natuur als bakermat voor architectuur

Wist je dat de spitse snavel van een ijsvogel de inspiratie was voor het ontwerpen van hogesnelheidstreinen? Of dat de gekartelde borstvin van een bultrugwalvis voor efficiëntere windturbines kan zorgen? Dit is nog maar een greep uit de voorbeelden waarbij het bestuderen van de natuur aan de basis ligt van technologische vooruitgang. Ook in de architectuur opent dit zogenoemde ‘biomimicry’ een waaier aan toepassingen die kunnen bijdragen tot duurzame ontwikkeling en energiebesparing.

In deze scriptie worden planten en bloemen als uitgangspunt genomen voor de ontwikkeling van een innovatieve gevel: een dynamische zonwering die aangedreven wordt ZONDER elektriciteit.

Catching up with nature

Velcro, we kennen het allemaal. Toch weten slechts weinig mensen dat de uitvinding van klittenband geïnspireerd is door de vele haakjes in kleefkruidvruchten. Maar waarvoor dient het dan in de natuur? Wel, de vruchten blijven kleven in de vacht van dieren waardoor de zaden over een grotere afstand worden verspreid en de soort zo meer kans maakt op voortplanting.

Sinds de baanbrekende evolutietheorie van Darwin (1859) weten we dat soorten zich steeds zullen aanpassen aan hun omgeving. Dat doen ze door natuurlijke selectie, een proces waarbij door mutatie meerdere variaties ontstaan en de best aangepaste nakomelingen overleven (survival of the fittest). Doordat dit evolutiemechanisme al miljoenen jaren lang gedijt, ontwikkelt de natuur steeds intelligentere systemen die efficiënter omgaan met energie. De natuur is dus eigenlijk een databank van verborgen technologieën die door de mens ontdekt kunnen worden. En dat kan dus met behulp van biomimicry.

Biomimicry of biomimetica is een samenstelling van twee uit het Oudgrieks ontleende woorden: bios (leven) en mimesis (imitatie). Het imiteren of nabootsen zit hem in het begrijpen van de werking van een organisme en dit vervolgens om te zetten naar technologie. In het voorbeeld van velcro is het dus niet de vorm van de kleefkruidvrucht, maar de microscopische structuur van haar oppervlak die het kleven in de vacht van dieren mogelijk maakt. Het succesvol namaken en bewerken van dit systeem heeft haar nut in talloze vakgebieden bewezen.

Een slokop van energie

In Europa zijn gebouwen verantwoordelijk voor bijna 40% van de totale energieconsumptie. Dat is zelfs meer dan de industrie- of de transportsector. Er is dus een dringende vraag naar duurzame oplossingen in de bouwkunde. Een voor de hand liggende manier om toekomstige energiedoelstellingen te behalen is door onze energiebehoeften te reduceren. In gebouwen kan dit door ‘passieve’ technieken toe te passen die de nood aan verwarming, koeling en ventilatie verlagen. Denk bijvoorbeeld aan isolatie, zonweringen en luchtroosters. Ook hier blijkt biomimicry een veelbelovende aanpak. Zo imiteert het Eastgate Centre in Zimbabwe de natuurlijke ventilatie van termietenheuvels, wat neerkomt op zo’n 35% minder energieverbruik dan traditionele gebouwen in dat gebied.

Aangezien gevels de binnen- met de buitenwereld verbinden, vinden de belangrijkste energie-uitwisselingen van gebouwen hier plaats. Het is een grensvlak dat ons naast wind en neerslag ook beschermt tegen koude en hitte. Voor dat laatste is de gevel echter niet voldoende en verbruiken we door het door het plaatsten van verwarmings- en koelingssystemen nog te veel energie. Omdat verstelbare zonweringen (denk aan blinden en rolluiken) zowel hitte in de zomer als koude in de winter kunnen tegengaan, is dit waarschijnlijk de meest effectieve strategie om energie te besparen in een gebouw. Maar nóg beter zijn dynamische zonweringen, waarbij de gevel ogenblikkelijk kan reageren op veranderende weersomstandigheden. De vraag is natuurlijk hoe je zo’n toestel ontwerpt dat het weer aanvoelt en omzet in beweging.

Weg met high-tech

Eerdere pogingen om zo’n gevel te ontwerpen bleken onsuccesvol door de ingewikkelde samenwerking van sensors, computers en motors. Maar wat als we gaan kijken hoe de natuur reageert op het weer? Bijvoorbeeld, waarom bloeit een krokus overdag en gaat ze ’s nachts weer dicht? Dit doet ze zonder sensor, zonder motor en zonder elektriciteit. Het geheim van dit soort bloemen zit in de structuur van hun bloemblaadjes. Deze bestaan uit twee lagen cellen. De binnenste laag zet veel uit bij hogere temperatuur en de buitenste weinig. Wanneer de zon op de bloem schijnt, duwt de binnenste laag de buitenste naar buiten en gaat de bloem open om zich te laten bestuiven. Als de avond valt gebeurt het omgekeerde proces waardoor de bloem weer sluit om haar geslachtsorganen van de koude te beschermen.

Hoe kan dit verhaal nu toegepast worden in de architectuur? Er wordt dus gezocht naar een materiaal met twee lagen die verschillend uitzetten. Bimetaal. Dit materiaal vind je thuis terug in je thermostaat of koffiezetapparaat, maar werd tot nu nog niet voor zonweringen gebruikt. Door de perfecte hechting en het verschil in uitzettingsvermogen tussen de twee lagen, beweegt het bimetaal op dezelfde wijze als de bloemblaadjes van de krokus. Op een gevel buigen de stukjes bimetaal zich om zonnewarmte tegen te houden, de nood aan koeling in het gebouw te verminderen en dus energie te besparen.

Omdat het verschil in uitzetting tussen beide metalen echter niet groot genoeg is, zal het bimetaal weinig buigen als het warmer wordt en dus niet voldoende schaduw op de gevel werpen wanneer nodig. Een ander mechanisme biedt hier een oplossing voor: de klemval van de vleesetende watervliegenval. Deze onderwaterplant verorbert kleine insecten door het dichtslaan van haar kleppen wanneer die haar gevoelige haartjes aanraken. Met een speciale origamitechniek en geheugenmetaal kan deze beweging nagebootst worden. Nog meer dan de bimetalen blijkt dit systeem bijzonder veelbelovend omdat het evenmin gebruikt maakt van sensors, computers, motors en elektriciteit om te functioneren. Het berust volledig op de eigenschappen van de materialen en gebruikt enkel de energie van de zon.

Omringd door genialiteit

Een prototype bewijst de werking van dit systeem. Het ontwerp kan u zich voorstellen als een compositie van artificiële bloemen op een gevel. Ze openen en sluiten voortdurend om zonlicht en warmte binnen een gebouw te reguleren en dus energie te besparen.

Deze uitvinding bevestigt nogmaals dat de natuur buitengewoon veel potentieel heeft als drager van duurzame ontwikkeling. Het is aan ons om de geheimen van haar intelligentie te ontrafelen en een milieuvriendelijkere toekomst tegemoet te gaan.