Composants mobiles dans les bâtiments tels que les stores, dont la structure est à base de cônes de bois de conifère, qui s'ouvrent ou se ferment en cas de sécheresse en raison du comportement de gonflement différent de leur tissu. Crédit :C. Zollfrank/ TUM
Une équipe de recherche de l'Université technique de Munich, Université de Fribourg, et l'Université de Stuttgart a rendu compte de la conception de composants de construction mobiles tels que des stores basés sur des solutions naturelles. L'objectif est de les équiper d'éléments moteurs pouvant se déplacer sans apport d'énergie. Pommes de pin, qui ont des réponses de gonflement les obligeant à s'ouvrir lorsqu'elles sont humides ou à se fermer lorsqu'elles sont sèches, servi de modèle.
À l'échelle mondiale, l'utilisation des bâtiments représente 40 pour cent de la consommation totale d'énergie. Environ la moitié de la consommation d'énergie est utilisée pour la climatisation. Bien que les stores et autres éléments de façade mobiles puissent être utilisés pour optimiser la transparence de l'enveloppe du bâtiment pour la chaleur et la lumière, leurs moteurs électriques ont également besoin d'énergie.
« L'architecture durable nécessite de toute urgence de nouveaux matériaux pour répondre aux exigences élevées d'efficacité énergétique et de protection du climat, " déclare le professeur Cordt Zollfrank, chercheur à la chaire des polymères biogéniques du campus de Straubing pour la biotechnologie et la durabilité du TUM, il fait des recherches sur les principes de base connexes. Son objectif est de développer des éléments d'entraînement et des actionneurs capables de convertir des signaux en mouvements mécaniques sans consommer d'énergie.
En collaboration avec des architectes, ingénieurs civils et botanistes, il a trouvé de nouvelles méthodes utilisant des mécanismes naturels pour améliorer le bilan énergétique des bâtiments. Dans un article commun de la revue spécialisée Matériaux avancés , l'équipe rend compte de l'état d'avancement de la recherche dans ce domaine, et démontre les possibilités des modèles du monde végétal.
Le modèle pour les éléments mobiles des bâtiments sont des cônes de bois de conifère, qui s'ouvrent (à droite) ou se ferment à sec en raison du comportement de gonflement différent de leur tissu. Crédit :C. Zollfrank/ TUM
Le matériel remplace le moteur
Les pommes de pin et de sapin mûrs referment leurs écailles lorsqu'il pleut afin de protéger les graines. Cependant, quand c'est sec, ils s'ouvrent pour les libérer. Au cours de ce mouvement, la composition des parois cellulaires joue un rôle crucial. Ils sont composés principalement de lignine, qui ne gonfle pas beaucoup, et de la cellulose, qui fait. En raison de l'orientation différente des fibrilles de cellulose dans le tissu des écailles, ils se courbent vers l'intérieur lorsque l'humidité est élevée, et vers l'extérieur quand il est sec.
"Ce qui est passionnant à ce sujet, c'est que l'énergie nécessaire à ces mouvements ne provient pas de processus métaboliques, mais uniquement à partir de mécanismes physiques et de propriétés matérielles, " explique le professeur Zollfrank. Grâce à la combinaison de matériaux avec des propensions au gonflement variables, il a développé des éléments d'entraînement biomimétiques appelés actionneurs. Ces éléments sont composés de deux couches de matériaux qui absorbent des quantités variables de liquide et se comportent de manière similaire à leurs modèles naturels.
Cônes de résineux, qui utilisent les comportements de gonflement variables de leurs tissus pour s'ouvrir lorsqu'ils sont humides ou se fermer lorsqu'ils sont secs. Crédit :C. Zollfrank/ TUM
Cependant, avant de pouvoir être utilisés à grande échelle en architecture, les chercheurs en matériaux doivent encore résoudre un problème affectant l'évolutivité :plus la cellule ou le tissu est gros, plus le temps nécessaire à l'eau pour pénétrer dans ses pores est long. Quelque chose qui prend deux heures dans une pomme de pin prend plusieurs années dans un bâtiment. D'où, afin d'utiliser la dynamique hydraulique des pommes de pin pour des applications en architecture, les chercheurs doivent surmonter une limite physique.
Dans ce but, Zollfrank propose une sorte de processus de restructuration au niveau matériel. "Nous découplons la taille des tissus et prenons le tout à l'ampleur d'une cellule individuelle, " explique-t-il. Via des liaisons croisées savamment choisies, un complexe cellulaire libre est créé dont les composants individuels agissent néanmoins toujours comme des cellules individuelles et absorbent l'eau extrêmement rapidement.
"La question est maintenant de savoir comment de tels liens croisés peuvent être conçus aussi efficacement que possible et comment les créer dans n'importe quelle taille, " dit Zollfrank. Cependant, pour des applications pratiques ultérieures, il peut aussi imaginer des matériaux biopolymères poreux dont les pores sont remplis d'un liquide extrêmement hydrophile (hydrogel). Les chercheurs en matériaux y travaillent déjà. Ce n'est qu'une question de temps avant qu'ils ne déterminent quelle solution finira par faire son chemin dans l'architecture du futur.
