Tot 35% van de energie van een gebouw gaat verloren via ramen – deze krill-in

Als je iets over krill weet, komt dat waarschijnlijk uit een les uit je kindertijd over wat walvissen eten, maar er is eigenlijk veel meer aan de kleine doorschijnende schaaldieren dan alleen maar een voedselbron zijn. Als ze niet worden opgezogen door walvissen, kunnen ze actief de kleur van hun huid veranderen (van transparant naar ondoorzichtig) om zichzelf tegen de zon te beschermen. En nu gelooft een team van wetenschappers van de Universiteit van Toronto dat gevels hetzelfde zouden kunnen doen.

Ze hebben een nieuw ultradun materiaal ontworpen dat op het oppervlak van vensters kan worden aangebracht en kan fungeren als een zeer aanpasbare huid, die de dekking binnen enkele minuten kan veranderen. Hun werk is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatieen hoewel het concept nog in de kinderschoenen staat, suggereert het de zeer dringende, zeer reële behoefte voor architecten om dynamische gebouwen te ontwerpen die zich kunnen aanpassen aan het veranderende klimaat – zonder de noodzaak van mechanische toevoegingen.

[Photo: NOAA/Wiki Commons]

De markt staat al vol met dergelijke add-ons. Van eenvoudige rolluiken en gemotoriseerde jaloezieën tot hightech “slimme ramen” die laagspanning of warmte gebruiken om hun tint en dekking te veranderen, de zonweringindustrie heeft voldoende opties. Maar een paar van hen pakken, afgezien van de zeer dure slimme ramen, de wortel van het probleem aan, namelijk het feit dat tot 35% van de energie van een gebouw verloren gaat via de ramen. “Windows is verschrikkelijk als ze zijn ontworpen, maar ze kunnen opmerkelijk efficiënt zijn als ze aanpasbaar zijn”, zegt Raphael Kay, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde en auteur van het onderzoek. Dus, wat als u, in plaats van de jaloezieën naar beneden te trekken en de airco in uw kantoor te laten blazen, uw ramen automatisch zou kunnen laten aanpassen aan het zonlicht met alleen water en goedkope olievloeistoffen?

[Image: courtesy University of Toronto]

Het idee is geworteld in de biologie en toch toepasbaar op de gebouwde omgeving. Dieren hebben zich miljoenen jaren moeten aanpassen aan wisselende ecosystemen en klimaatverandering. Mensen hebben zich ook aangepast, maar onze gebouwen hebben niet hetzelfde traject gevolgd. “Het is raar dat gebouwen zo statisch zijn”, zegt Benjamin Hatton, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Toronto, die het onderzoek leidde. “In de biologie zou dat heel ongebruikelijk zijn.”

Stel je een composietmateriaal voor, minder dan een 1/4-inch dik, dat is gemaakt van een vloeistof die is ingeklemd tussen twee stevige maar transparante platen. Stel je nu voor dat de vloeistof eigenlijk uit twee vloeistoffen bestaat: de “gastvloeistof”, die er altijd is, en de “gastvloeistof”, die de veranderende niveaus van transparantie mogelijk maakt. Op dezelfde manier waarop krill pigmentdeeltjes door een netwerk van kanalen op zijn huid stuurt, zou de gastvloeistof (gekleurd water) door de gastheervloeistof (transparante minerale olie) stromen. En omdat water en olie niet mengen, zou het water de olie wegduwen, meer ruimte innemen en resulteren in een donkerder venster. Wat de olie betreft, deze zou ofwel in vier “blazen” op elke hoek van het materiaal stromen, of het zou in de twee vellen opzwellen, op voorwaarde dat ze gemaakt zijn van een flexibel materiaal, zoals silicium.

[Image: courtesy University of Toronto]

In een computersimulatie ontdekte het team dat dit systeem tot 30% efficiënter is in vergelijking met gemotoriseerde zonwering en slimme ramen. Dus als de middagzon op je bureau schijnt, kun je het raam dimmen en je ruimte koel houden; en als het ondergaat, of als er een zomerstorm komt opzetten, kun je het weer verlichten.

Het voordeel van het vloeistofsysteem is een extreme mate van precisie. De meeste zonweringsystemen zijn binair: je rolt jaloezieën op of neer en klapt rolluiken open of dicht. Maar vloeistofgestuurde ramen zouden zijn als het sluiten en openen van honderden kleine jaloezieën op verschillende tijdstippen van de dag en op verschillende locaties in een gevel met ramen. Om nog een biologische analogie te lenen: een octopus heeft meer neuronen op zijn tentakels dan in zijn hersenen, die “verbazingwekkende niveaus van controle direct op de huid” toelaten, zegt Kay. Vertaal dat naar een gebouw, en in plaats van een centraal “brein” geleid door radiatoren, airconditioners en andere mechanische systemen, heb je controle uit de eerste hand rechtstreeks op de huid, oftewel de gevel.

Het idee brengt een paar uitdagingen met zich mee voordat het daadwerkelijk in een gebouw kan verschijnen, meestal rond de infrastructuur die nodig is om die vloeistoffen te beheersen. Het team stelt zich voor dat elk gepigmenteerd patroon – of bloem – zou worden bestuurd via een computergestuurde digitale pomp: meer gekleurd water toevoegen zou de bloei groter maken (en het venster donkerder), het verwijderen van water zou het kleiner maken. “De combinatie van wat ons materiaal kan en wat digitaal en AI kunnen, als we deze samenbrengen, kun je je een huid voorstellen die alles kan wat je wilt”, zegt Kay.

Voorlopig hebben de wetenschappers een prototype gebouwd ter grootte van een ruit. Volgende op de lijst? Het inhuren van “een leger van niet-gegradueerde studenten” en uitzoeken hoe dit op te schalen tot een punt dat ramen overstijgt. “Als je een raam thermisch beter kunt maken, is er geen reden om ramen los van muren te hebben”, zegt Kay. Met andere woorden, architecten zouden hele gevels kunnen veranderen in adaptieve huiden die verschillende eigenschappen kunnen aannemen – van levende kunstmuurschilderingen tot ramen die zich kunnen aanpassen aan ons circadiaanse ritme door verschillende tinten aan te nemen, afhankelijk van het tijdstip van de dag.

Dit alles dankzij een klein wezentje dat toevallig de favoriete snack van de walvissen is.

Leave a Comment