De natuur kan ons van alles leren over omgang met de elementen, maar in het ontwerp van moderne gevels is er nog weinig van te zien. Neem eens wat vaker een voorbeeld aan een vlinder, een cactus of een vogel, zegt gevelonderzoeker Susanne Gosztonyi in haar promotieonderzoek.

Een vleugel van een vlinder is niet alleen superlicht en dun, maar ook robuust en bestand tegen de warmte van zonnestralen. Dat komt deels door de geometrie: de bloedvaten die erdoorheen lopen zijn dusdanig geordend dat hitte snel wordt afgevoerd. Bovendien geeft een verfijnde nanostructuur de vleugels hun kleuren. Deze ‘fotonische’ structuur zorgt voor reflectie of absorptie van licht en reguleert warmte. “Door de ordening van lichte en donkere kleuren naast elkaar ontstaan thermische stromen”, vertelt Gosztonyi. “Daardoor fungeren de vleugels feitelijk ook als een systeem voor hitte-uitwisseling. Toepassing van een dergelijk ingenieus systeem op een gebouw zou de energie-efficiëntie effectief kunnen regelen.”
Helaas is het technisch en financieel lastig om een vlindervleugel na te bouwen, maar een deel van de principes erachter is wel toepasbaar in de architectuur. Zo ontdekte ze dat ook de precieze stand van de vleugels een rol speelt bij de energiehuishouding. Samen met kleurschakeringen versterkt de vleugelpositie de warmtestroom. “En dat is iets dat we als architecten kunnen nabootsen met bestaande middelen”, zegt Gosztonyi. “Lamellen kunnen in een bepaalde positie ten opzichte van een koeler oppervlak kunnen veel effectiever overtollige hitte afvoeren.” Toevoeging van bepaalde kleuren zou dit effect nog kunnen versterken.

Fysica

Het ‘vlinderkoelsysteem’ is slechts één van slimme de strategieën uit de natuur die zij onderzocht in haar studie ‘Physiomimetic Facade Design. Systematics for a function-oriented transfer of biological principles to thermally-adaptive façade design concepts’. Gosztonyi kijkt in haar onderzoek naar de fysica achter natuurlijke vormen en naar de manier waarop planten en dieren omgaan met warmte en koude. Welke thermodynamische trucs gebruiken ze om niet oververhit of onderkoeld te raken en hoe sparen zij energie?

Voor een gevelonderzoeker zijn het interessante vragen, want de meeste moderne gevels reageren veel minder flexibel op de uitdagingen van het klimaat dan dieren en planten. Gebouwgevels hebben vaak een dikke laag thermische isolatie om de kou buiten te houden, maar komen daardoor in de warme maanden moeilijk van overtollige warmte af. Luifels en zonneschermen helpen een beetje, maar een actieve regeling van thermische isolatie zou veel effectiever zijn.

Biotechnieken

De natuur geeft uitstekende voorbeelden hoe het beter kan, zowel op nano- als op macroschaal. In haar onderzoek identificeerde Gosztonyi zeventig koelsystemen uit de natuur, waarvan ze een deel nader onderzocht. Zo ontdekte ze dat de alpenplant Edelweiss een laagje met haartjes heeft om hoog in de bergen schadelijke UV-straling af te buigen, terwijl cactussen zichzelf in de schaduw zetten met hun geribbelde geometrische vormen, plus naalden en haren. Vogels hebben de gewoonte om hun veren op te zetten als het koud is. Zo regelen ze hun warmte-isolatie door een stilstaande luchtlaag te creëren in de donzen onderlaag onder hun verendek.
Zijn dit soort biotechnieken toepasbaar in een gevelontwerp zonder geavanceerde materialen? Niet altijd, veel strategieën uit de natuur zijn technisch te complex om na te bootsen. Geometrische vormen zijn het eenvoudigst te kopiëren op macroschaal. Toch onderzocht ze of het aanpasbare isolatieprincipe van opzetten van het verendek direct toepasbaar is in de architectuur door gebruik van flexibele geometrieën van cellulose met aanpasbare holtes. Deze zouden kunnen opzwellen of juist krimpen wanneer de lucht warmer of kouder wordt. Uit grove calculaties bleek dat een standaard polyurethaan isolatie zich niet zomaar laat vervangen door zo’n structuur, want de benodigde laagdikte van het isolatiepakket zou verdubbelen. “Maar een ander materiaal of geometrie pakt misschien beter uit”, zegt Gosztonyi. “Zeker is dat een beter begrip van de fysica achter de natuurverschijnselen ons een nieuwe bril geeft om naar gebouwfysica te kijken.”

Gepubliceerd: mei 2022

Meer informatie

• Susanne Gosztonyi verdedigt haar proefschrift 'Physiomimetic Facade Design' op 30 mei.
• Proefschrift 'Physiomimetic Facade Design'.