BIONIKA I ARHITEKTURA – Održivost i energijska efikasnost po uzoru na prirodu

Piše: Msc. Džana JUSUFOVIĆ, dipl.ing.arh.,CETEOR Sarajevo, dzjusufovic@ceteor.ba

REFERENCIJE IZ PRIRODE

Bionika (engl. bionics, složenica od bio[logija] i [elektro]nika), je naučna disciplina koja se bavi konstrukcijom takvih tehničkih uređaja, najčešće elektronskih, koji bi u svom djelovanju tehnički reprodukovali rad nekog biološkog sistema. Oponašanje prirode može biti vrlo korisno, jer je većina živih bića proizvod dugotrajne evolucije, a njihov se današnji način života temelji na velikom iskustvu.

Tako je, npr. životinjski mišić djelotvoran mehanički motor, Sunčeva se energija pohranjuje u biljkama u hemijskom obliku s gotovo 100%-tnom djelotvornošću, prenos informacija unutar nervnog sistema mnogo je složeniji nego u najvećem telekomunikacijskom centru, u rješavanju problema ljudski je mozak uspješniji od najjačeg računara. Iz toga proizlaze dva glavna područja istraživanja u bionici: obrada informacija i pretvorba energije. Najmoćniji, istovremeno najodrživiji, od ljudi do sada najmanje iskorišten energijski izvor jeste Sunce.  Djelimično besplatan i okolinski neškodiv, ovaj aspekt Bionike će u skorošnjoj budućnosti preuzeti vodeću ulogu ukoliko se nedostižni biološki uzor – Fotosinteza zelenih biljaka dovede i primjeni do savršenstva.

U periodu izrazito detaljnih istraživanja, sva dosadašnja priča o stalnim povećanjima troškova energije, vraća nas na uzore iz prirode.Pasivnim korištenjem sunčeve energijeu arhitekturi današnjice, prethode referencije iz biljnog i životinjskog svijeta.Leptirova krila sposobna su za let samo ukoliko apsorbuju dovoljnu količinu sunčeve energije. U prosecu akumulacije iste, stvaraju se zračni jastućići koji se ponašaju kao toplotni izolator. Principi prirode se uvijek ponavljaju: Toplotni zraci dosjetljivim trikovima bivaju apsorbovani, jednako zadržani kako bi se spriječili gubici te iste toplote. Toplota se zadržava tamo gdje je najpotrebnija s ciljem pokretanja cjelokupnog sistema. Takav dosjetljiv način, koristi i polarni medvjed. Ukoliko bi se polarnom medvjedu uklonilo krzno, ustanovilo bi se da je njegova cjelokupna koža zapravo crna. Njegova dlaka pod mikroskopom svjedoči svojoj posebnosti u odnosu na druge sisare. Kroz središte dlake prožima se reflektirajući sloj cilindara. Svjetlost koja jednom upadne na površinu dlake, zadržava se procesom totalne refleksije na tom mjestu (usljed totalne refleksije, dlaka ispunjena vazduhom se dojma bijelom). Kada sunčevi zraci dospiju do tamnog dijela kože, ona biva apsorbovana i tada započinje proces zagrijavanja. Niz vazdušnih jastučića zarobljenih u krznu, ponašaju se poput idealnog toplotnog izolatora. Toplota više ne može pobjeći. Na ovaj način, polarni medvjed iskorištava i najslabije zračenje, a apsorbovati može i infracrvene zrake.Njegovo krzno ponaša se kaotransparentni toplotni izolacioni materijal.Životinje i biljke su najbolja referencija već milionima godina.

                              Slika 1. Uvećani prikaz strukture tjelesnog pokrivača polarnog medvjeda

Bionika je nepresušan izvor znanja. Posmatrajući prirodu, naučnici stiču nova saznanja koja koriste za razvoj inovativnih tehnologija. Nova saznanja obogaćuju dosadašnja, novim pogledima na iste stvari ili na kreativan način, kombinuju postojeća znanja stvarajući nove ideje.

Referencija akumulacije toplotne energije vidljiva je na primjeru posebne vrste puževa koje nastanjuju hladna i planinska područja neuslovna za druge životinjske vrste. Tzv.Vitrinidae vrsta posjeduje ”staklenu kućicu” po kojoj je dobila naziv. Po principu staklene bašte, puž apsorbuje sunčevu energiju iz prirode i generira je, tj. pohranjuje je u spremište od ”stakla”. Kako bi se nosili s surovim zahtjevima ekosistema, životinje su razvile osjete (receptore), mehanizme koji se nose s pritiskom (kontrolu uzgona), strategije štednje energije (oblik tijela, dlaku), oklop (kao u slučaju Vitrinidae puža), mehanizme stabilnost (peraje), mogućnost upravljanja (fleksibilna tijela, usmjereni potisak), brzinu (mlazni pogon), skrivanje (kamuflaža, prigušeni zvukovi) i korištenje usklađenih materijala (kolagen, proteinske gumice i sl). Korištenjem takvih specijalizacija kako bi poboljšaleizglede za svoj ostanak, životinje pokušavaju funkcionirati na način da smanje ukupnupotrošnju energije, dok maksimiziraju performanse specijalizacije. Životinje optimizirajuonako kako inžinjeri to nastoje učiniti sa svojim dizajnima.

Slika 2. Vitrinidaepuževa kućica

U razvoju uspješnih bioničkih tehnologija primjenjuju se dva pristupa: odozdo-na-gore i odozgo-na-dole.

Odozdo-na-gore: U slučaju metode odozdo-na-dole, naučnici proučavaju određeni prirodni fenomen na osnovu koga razvijaju model za primjenu u praksi.

Odozgo-na-dole: Proces odozgo-na-dole se odvija u suprotnom smijeru. Započinje se traženjem rješenja u prirodi za konkretan problem.

U Sjevernoj Africi postoje biljke porodice Fritia koje mogu preživjeti u najnepogodnijim Biotopima. To su biljke koje ne posjeduju listove direktno izložene suncu i pješčanoj sredini. Ove biljke formiraju staklenu kupolu tzv. provodnik svjetlosti. Provodnik provodi svjetlost kroz tlo do hlorofilnih zrnaca uz sami zid tijela biljke, spremnih za proces fotosinteze. Zrnca su smještene u hladnijoj pješčanoj zoni tla, nisu izložena direktnoj, već difuznoj reflektiranoj sunčevoj svjetlosti. Biofizičar i hemičar H.Tribusch napravio je prijedlog ”Pješčane kuće” koji se zasniva na istraživačkom radu Fritia-e. Izgled biljke podsjeća na oblik tzv. Winston-ovog kolektora. Na vrhu stabljike se nalazi ”prozor”, zbog čega je vrlo često nazivaju ”prozorskom biljkom”. Kupolasti vrh služi za prikupljanje svjetlosti potreban za proces fotosinteze. Kako se pustinjska arhitektura sadašnjice vrlo teško prilagođava uslovima u kojima se gradi i kako zavisi od složenih klimatizacijskih i ventilacionih sistema, primjer ”prozorske biljke” pokazuje na koji način sistem prilagođavanja treba zapravo posmatrati.

Slika 3.Fritia, Izgled ”prozorske biljke” u svom prirodnom okruženju

Slika 4. Prijedlog ”Pješčane kuće” H.Tribusch-a po uzoru na Fritia-u. (Slika lijevo – poprečni presjek kroz Fritia-u; slika desno – utopističko arhitektonsko rješenje nastalo spojem naučenog i primjenjenog iz prirode)

PASIVNA GRADNJA I PASIVNO KORIŠTENJE SUNČEVE ENERGIJE U ARHITEKTURI

Trombov zid je jedan od osnovnih elemenata pasivne pretvorbe sunčeve energije u toplotnu energiju koji nosi naziv po svom izumitelju, francuskom inženjeru Félix Trombe-u (Odeja, Francuska 1965. godina). Trombov zid orijentiran je prema suncu i zamišljen da se ponaša poput pasivnog sunčevog kolektora. Zid istovremeno služi kao apsorber toplote, akumulator toplotei kao tijelo za zagrijavanje unutrašnjih prostorija.Konstrukciju sačinjava masivni zid obojenu tamnu boju (zbog pojačane apsorpcione moći tamnih površina), od betona, opeke ili kamena optimalne debljine d=20-40cm, izložen suncu preko staklene stijenke. Staklena stijenka (opna) ispred Trombovog zida služi za dobijanje efekta staklene bašte.Nakon prolaska kroz staklo, sunčevo zračenje pada na Trombov zid koji ga apsorbuje. Brzina prenošenja toplote s vanjske na unutrašnju stranu zida zavisi od niza karakteristika materijala (sastava zida,koeficijenata toplotne provodljivosti, toplotnog kapaciteta) i njegove debljine koja je također jedan od presudnih faktora 100%-ne iskoristivosti efekta Trombovog zida. U slučaju da je debljina zida manja od 20 cm, dolazi do pregrijavanja zida i same prostorije; u slučaju debljine preko 40cm, zid nije u mogućnosti emitirati toplotu punim kapacitetom. Uloga staklene stijenke (opne) u kompletnom sistemu jeste da zadržava toplotu masivnog zida znatno višom od vanjske temperature. Ukoliko je staklena opna dobro izolirana, a vanjska temperatura ne previše niska, temperatura masivnog zida bit će veća od temperature unutrašnjeg prostora i prenosit će se na njega.

Slika 5. Principi Trombovog zida

Postoje dvije vrste Trombovog zida, sa i bez ventilacionih otvora.

Osnovni tip Trombovog zida je zid bez ventilacionih otvora. Ulogu grijnog tijela igra zid koji emituje akumuliranu toplotu prema unutrašnjosti prostorije.

Danas je sasvim uobičajeno da se Trombovim zidom naziva i slučaj kada je zračni dio između masivnog zida i staklene stijenke zapravo prostorija (predsoblje, trijem, zimska bašta – slika 5.). Osnovni razlog za ovakvu slobodu u pristupu konceptu jeste to što se nedovoljna količina toplote uspije akumulirati u zidu, zbog čega je ovaj ”nedostatak” nadomješten dodavanjem otvora na dnu i vrhu zračnog dijela između zida i staklene stijenke. Tako zagrijani zrak konvekcijom ulazi u unutrašnjost objekta. Otvori imaju poklopce koji se otvaraju samo na jednu stranu pa sprečavaju konvekciju tokom noći, uspjevajući da održe smijer protoka jednakim. Naravno, tokom ljeta, kada nije poželjno zagrijavanje prostora, ovi otvori ostaju zatvoreni.

Za srednje dobro izoliran objekat površine cca 100 m², Trombov zid može uštediti i do 30%energije za grijanje.

Prednosti Trombovog zida:

• ugodna toplotagrađevinskih elemenata objekta (podova, zidova, stropova)
• održavanje
• relativno lako integriranje u izgradnju strukture kao unutrašnji ili vanjski zid
• pristupačni klasični građevinski materijali pogodni za gradnju Trombovog zida

Nedostatak Trombovog zida:

• vanjski zidovi postaju izvor toplotnih gubitaka tokom dužih oblačnih perioda

Cijela bionička teorija temelji se na jednostavnom principu – priroda je napravila prva i napravila najbolje. Niz je primjera prirode integrisanih u savremena arhitektonska rješenja akcentirana na racionalno korištenje energije energijsku efikasnosti i održivost.Pored Trombovog zida, potrebno je istaknuti i druge elemente pasivne solarne arhitekture poput pravilne orijentacije objekta;elemenata arhitektonske geometrije: vegetacija, trijem, streha, nadstrešnica, balkon; elemenata regulacije insolacije: brisoleji, roletne, žaluzine; energijski efikasne fasadne stolarije;upotrebe boja završnih obrada i sl.

Ponekad izravno oponašanje prirode nije moguće, pa ni sa aspekta iskorištenja sunčeve energije, ali ono što je ostvarljivo jeste put podsticaja iskorištenja impulsa za daljnja razmišljanja i usavršavanja na datom polju. Referencije iz prirode navode na razmišljanja i to je jedna od vrlo zahvalnih činjenica podsticanja Bionike kao discipline integrirane u sve naučne discipline. Prirodno orjentirana rješenja su najčešće pogodnija Ekosistemu nego tehnički koncepti zasnovani na profitu. Za Bioniku će u budućnosti trebati vezati rješenja koja ne škode okolini, jer Bioničko rješenje nije automatski i ekološki produkt.

m-Kvadrat