Природные небоскребы: как рентгеновская съемка раскрыла строительные секреты термитов

У Жюля Верна Пятнадцатилетний капитан и его друзья пережидают тропический ливень в заброшенном термитнике, восхищаясь его конструкцией. Ученые выяснили, что было чем восхищаться: оказывается, природа — хороший инженер: эти природные небоскребы самостоятельно охлаждаются, проветриваются и избавляются от воды внутри. Недавно опубликованные рентгеновские 3D-снимки показали, что одним из секретов такой впечатляющей эффективности термитников являются каналы и микропоры в стенах.

Термитник

Термитники с их хитроумными механизмами для контроля атмосферы вдохновляют архитекторов последние 20 лет. Так Зимбабвийский архитектор Мик Пирс построил в столице Зимбабве Хара́ре торговый и бизнес-центр Eastgate Centre, в котором применил строительные решения термитников. Пирс хотел отойти от стеклянных блоков, которые обычно используются при создании таких проектов, и создать систему вентиляции, которая работала бы почти без электроэнергии, естественным образом. Eastgate Centre — крупнейший в стране торговый и деловой центр, при этом он использует менее 10 процентов энергии, потребляемой подобными зданиями. Вся она уходит на систему отопления, которая работает в части здания.

Большая часть термитников — это грибные фермы, поскольку термиты в основном питаются грибком. Чтобы грибок хорошо рос, нужны подходящие условия: термиты должны постоянно поддерживать температуру внутри жилища около +30°C, когда снаружи температура варьируется от 0°C ночью до +40°C днем. Швейцарский энтомолог (специалист по насекомым) Мартин Люшер предположил, что термитники работают как кондиционеры, чтобы облегчить непрерывный поток воздуха: туннели в термитниках похожи на вентиляционные отверстия для отопления и охлаждения, которые могут открываться и закрываться по мере необходимости в течение дня. Так термиты управляют потоками горячего и холодного воздуха.

Eastgate Centre в Хараре, столице Зимбабве

Вентиляция Eastgate Centre опирается на аналогичную систему хорошо расположенных вентиляционных отверстий внутри сложных воздуховодов, теплообменные трубы и солнечные панели.

«Воздуховоды прогоняют воздух через здание, а теплообменные трубы — в течение всего дня выводят тепло посетителей и технических систем», — писал Ли Биллингс в 2013 году в научном журнале Nautilus.

Все работало, но не по той причине, о которой все думали. Биолог Скотт Тернер из Государственного Университета Нью-Йорка провел годы, изучая термитники в Южной Африке. Он следил за внутренней температурой и влажностью термитных жилищ и даже делал слепки образцов, чтобы создать карту внутреннего сечения.

Тернер обнаружил, что предположения Пирса и других, что сложные туннельные системы термитников служат для циркуляции воздуха и отвода тепла для регулирования внутренних температур, не точны. Смешивание воздуха — результат не внутреннего тепла колонии, а давления воздуха снаружи термитника. Термиты строят такие высокие курганы, чтобы в них попадал ветер, а их пористая внешняя поверхность позволяет воздуху проникать внутрь и проходить через всю постройку. Тернер сравнивает эффект с альвеолами в легких человека, поры которых расширяются, чтобы пропускать воздух: термитник почти «дышит».

Оказалось, что вентиляционная система Eastgate Center работала не из-за воздуховодов и тепловых труб, а потому, что бетонные плиты действовали как радиаторы, накапливая тепловую энергию в течение дня и выпуская ее прохладной ночью.

Структура термитника

Новое исследование проливает больше света на внешнюю пористую поверхность термитников. Междисциплинарная группа ученых из Имперского колледжа Лондона, Ноттингемского университета и Национального исследовательского центра Тулузы провела рентгеновское сканирование нескольких термитников из Сенегала и Гвинеи для измерения их стен и коридоров. Это позволило исследователям рассчитать толщину внутренней и внешней стенок, а также определить структуру внутренних туннелей, по которым передвигаются термиты. Они обнаружили, что стенки термитника имеют как большие, так и маленькие микропоры для вентиляции.

Затем ученые смоделировали воздушный поток, чтобы показать, как туннели и микропоры образуют систему вентиляции. Крупные поры оказались наиболее эффективны, когда снаружи дует сильный ветер: тогда через поры продувается накопленный в термитнике CO2 (диоксид углерода, который выделяется в процессе дыхания). В безветренную погоду CO2 «уходит» через диффузию (проникновение одного вещества в другое при их соприкосновении) с внешним воздухом. Также большие поры в стене помогают сохранить тепло ночью: они работают как двойные стеклопакеты (воздух между двумя стеклами хуже проводит тепло и таким образом «держит» его в комнате). Тонкие поры отводят воды во время дождя аналогично тому, как растения вытягивают ее из земли.

«Результаты исследования значительно улучшают наше понимание того, как архитектурное проектирование может улучшить вентиляцию, теплообмен и отвод воды в зданиях, — сказал соавтор работы Пьер Дегон из Имперского колледжа Лондона. — Они приближают нас к пониманию механизмов, которые могут быть полезны при проектировании энергоэффективных зданий, которые самостоятельно обеспечивают себя энергией».

Источник: Ars Technica