Sombreamento bioinspirado controla clima de prédios sem gastar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/02/2025

O sistema de sombreamento adaptável e autoajustável foi testado por mais de um ano no controle climático de um edifício da universidade.
[Imagem: ICD/IntCDC Universitat Stuttgart]

Controle climático sem consumo de energia

Engenheiros alemães usaram as pinhas, os frutos das coníferas, como os pinheiros, como modelo para criar um revestimento para fachadas externas de edifícios que se adapta passivamente ao clima, controlando a qualidade do ambiente interno sem gastar energia.

É o complemento ideal para outra inovação recente, feita por pesquisadores suíços, que criaram ladrilhos internos que mantêm a qualidade do ar também sem gastar energia - aquela inovação visa recobrir paredes internas e tetos.

"A maioria das tentativas de responsividade ao clima em fachadas arquitetônicas dependem fortemente de dispositivos técnicos elaborados. Nossa pesquisa explora como podemos aproveitar a responsividade do próprio material por meio de um projeto computacional avançado e da manufatura aditiva," disse o professor Achim Menges, que desenvolveu a tecnologia com colegas das universidades de Stuttgart e Friburgo.

Essencialmente, é um mecanismo de sombreamento que abre a fecha de modo autônomo, sem intervenção humana e sem consumo de eletricidade, baseando-se tão somente nas variações do clima. "A própria estrutura do biomaterial é a máquina," disse Menges.

Configurações fechada e aberta da estrutura bicamada de material celulósico.
[Imagem: ICD/IntCDC Universitat Stuttgart]

Portão solar

Os cientistas usaram o mecanismo de movimento das pinhas como modelo para criar o que eles chamam de "portão solar", que abre e fecha em resposta a mudanças de umidade e temperatura, sem consumir nenhuma energia externa.

A equipe conseguiu replicar a estrutura anisotrópica (dependente da direção) da celulose em tecidos vegetais usando impressoras 3D comuns - na verdade, a técnica de manufatura aditiva cujos elementos podem mudar seu próprio formato de modo autônomo é mais conhecida como "impressão 4D".

A celulose é um material natural, abundante e renovável, que incha e encolhe com variações de umidade. Essa propriedade, conhecida como higromorfismo, é frequentemente observada na natureza, por exemplo, na abertura e fechamento das escamas das frutas femininas do pinheiro. O trabalho consistiu em otimizar essa propriedade higromórfica ajustando fibras de celulose de base biológica para formar uma estrutura bicamada, que é inspirada nas escamas da pinha, só que com maior capacidade de movimento.

Sob alta umidade, os materiais celulósicos absorvem a umidade e se expandem, fazendo com que os elementos impressos se enrolem e abram. Ao contrário, sob baixa umidade, os materiais celulósicos liberam umidade e se contraem, fazendo com que os elementos se achatem e fechem.

A equipe afirma que seu conceito é a "estrada real da biônica".
[Imagem: Tiffany Cheng et al. - 10.1038/s41467-024-54808-8]

Biônica de ponta

A equipe testou a funcionalidade e a durabilidade do sistema de sombreamento adaptativo bioinspirado em condições climáticas reais por mais de um ano em um prédio da Universidade de Friburgo.

O sistema de sombreamento foi instalado em uma claraboia voltada para o sul, já usada na regulação do clima interno do edifício. Durante o inverno, os elementos de sombreamento abriam, permitindo a entrada de luz solar para aquecimento natural, e, no verão, eles fechavam, minimizando a radiação solar. Tudo alimentado apenas pelos ciclos climáticos diários e sazonais, um processo adaptativo sem qualquer consumo de energia elétrica.

A inovação destaca o potencial de tecnologias acessíveis e econômicas, como a manufatura aditiva, e mostra como a celulose, um material abundante e renovável, pode contribuir para soluções arquitetônicas sustentáveis.

"Inspirado pelos movimentos higroscópicos das escamas das pinhas e das brácteas do cardo prateado [Galactites tomentosa], o portão solar conseguiu traduzir não apenas a alta funcionalidade e robustez dos modelos biológicos em um sistema de sombreamento bioinspirado, mas também a estética dos movimentos das plantas. Isso pode ser visto como a 'estrada real da biônica', pois tudo o que nos fascina sobre os geradores de conceitos biológicos também foi realizado no produto arquitetônico bioinspirado," disse Thomas Speck, membro da equipe.

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