قام باحثون من جامعتي شتوتغارت وفرايبورغ بالبحث في العالم الطبيعي للحصول على الإلهام، وتحديدا من حركة مخاريط الصنوبر، حيث تفتح هذه الهياكل الطبيعية وتغلق استجابة لتغيرات الرطوبة، وذلك بفضل الخصائص الفريدة للسليلوز داخل قشورها.

صرح الباحثون بأن هذا التطور يمثل أول نظام ظل يعتمد على التفاعل مع الطقس ويعمل بشكل مستقل عن الطاقة.

التكنولوجيا البيئية المستوحاة من الطبيعة

يقول "أخيم مينغيس"، رئيس معهد التصميم والبناء الحاسوبي (ICD) في جامعة شتوتغارت: "نحن نحقق نظام ظل يفتح ويغلق تلقائيا استجابة لتغيرات الطقس، دون الحاجة للطاقة التشغيلية أو أي عناصر ميكاترونيك، الهيكل البيولوجي نفسه هو الآلة".

كيفية العمل بشكل تلقائي استجابة للطقس

تتمتع مخاريط الصنوبر بقدرة مذهلة على الفتح والإغلاق استجابة لتغيرات الرطوبة ودرجة الحرارة، وهي تقوم بذلك دون الحاجة إلى طاقة أيضية، مما يعرض آلية فعالة للطاقة بشكل سلبي.

تمكن الباحثون من تكرار جانب رئيسي من هذا السلوك – الهيكل المعتمد على الاتجاه للسليلوز داخل الأنسجة النباتية – باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المتاحة بسهولة.

كما قام الفريق بتصميم ألياف السليلوز المستخلصة من المواد البيولوجية وطبعها بتقنية الطباعة 4D في هيكل ثنائي الطبقات مستوحى من مخاريط الصنوبر.

الطباعة 4D والمواد السليلوزية البيولوجية

تمكن الطباعة 4D من إنشاء مواد يمكنها تغيير شكلها بشكل تلقائي عند تعرضها لمحفزات خارجية مثل الحرارة أو الرطوبة.

يتيح هذا النظام للمبنى أن يفتح بشكل واسع في الشتاء ليتيح لأشعة الشمس تدفئة المبنى، ويغلق بإحكام في الصيف للحفاظ على برودة المبنى. من المثير للاهتمام أن هذا الإنجاز الابتكاري يتم تمامًا من خلال القوى الطبيعية للطقس، دون الحاجة لأي طاقة خارجية.

نظام الظل المستوحى من الطبيعة: تطبيق عملي واختبار حقيقي

تم اختبار النظام البيولوجي المستوحى من الطبيعة في ظروف الطقس الواقعية لأكثر من عام، بعد ذلك تم دمج "البوابة الشمسية" في "القشرة البيوميمتيكية" لمبنى البحث "livMatS" في جامعة فرايبورغ.

تم تثبيت البوابة الشمسية على السقف الجنوبي للمبنى، مما يلعب دورًا مهمًا في تنظيم المناخ الداخلي، في فصل الشتاء، تفتح عناصر الظل لزيادة اكتساب الطاقة الشمسية للتدفئة الطبيعية. وفي أشهر الصيف، تغلق الهياكل لتقليل اكتساب الحرارة الشمسية والحفاظ على درجة حرارة مريحة في الداخل.

الحلول المستدامة في تصميم المباني

يقول "أخيم مينغيس" في البيان الصحفي: "تعتمد معظم محاولات التفاعل مع الطقس في واجهات المباني بشكل كبير على الأجهزة التقنية المعقدة. أما بحثنا فيستكشف كيفية الاستفادة من استجابة المواد نفسها من خلال التصميم الحاسوبي المتقدم وتصنيع الإضافات".

أهمية البوابة الشمسية في مواجهة التغيرات المناخية

تعتبر المباني من أكبر المساهمين في الانبعاثات الكربونية العالمية بسبب الطلب المرتفع على الطاقة للحفاظ على بيئات داخلية مريحة. لذلك، يعد تقليل استهلاك الطاقة للتدفئة والتبريد والتهوية أمرًا بالغ الأهمية لمكافحة تغير المناخ.

تظهر البوابة الشمسية المبتكرة إمكانيات الحلول المعمارية المستدامة التي تجمع بين الفعالية الوظيفية والجماليات.