Looduselt näpatakse täiuslikke lahendusi - lilled, linnud, samblikud ning merelimused on uute materjalide ja tehnoloogiate allikaks
Biomimeetilise projekteerimise kaudu püütakse matkida loodust, lähtudes mingist konkreetsest küsimuseasetusest. Biomimeetiline projekteerimine ehk looduse mehhanismide ja süsteemide modelleerimine tehnoloogiliste vahendite abil on üsna aeganõudev protsess.
Olukorda asutakse analüüsima looduses eksisteerivate lahendusmudelite alusel.
Lähtekohaks ei ole seega näiteks küsimus "Kuidas eluhooneid võimalikult tõhusalt soojustada?", vaid hoopis "Kuidas näiteks põhjapõdrad sooja hoiavad?" Vastuste leidmine ja rakenduste loomine on pikkade uuringute ja etapiviisilise tootearenduse lõpptulemus.
Näiteks oleks palju õppida erinevaid funktsioone täitvate samblike, eriti linna-liudsambliku (Lecanora conizaeoides) omadustest. Need on meistrid koostööd tegema, tõhusalt ressursse kasutama ja lokaalsuse põhimõtet enda kasuks rakendama.
Erinevalt tavapärasest tööstuslikust tootmisest toimuvad protsessid looduses võimalikult efektiivselt materjale säästes ja energiakasutust optimeerides, sest looduses ei ole ruumi raiskamiseks.
Samblikud lahendavad niiskusprobleeme
Samblikest võiks võtta õppust ka näiteks hoonete niiskustehniliste probleemide lahendamiseks. Seenest ja mikroskoopilisest rohevetikast või tsüanobakteritest koosnevad samblikud on ühe kooslusena elavad kaksikorganismid. Sambliku rakise rohevetikast ja/või bakterist osapool hoolitseb assimileerimise eest, seen omakorda kaitseb vetikaid kuivamise ja kuumuse eest ning transpordib neile kasvupinnasest mineraale.
Puutüvedel elava linna-liudsambliku kare ja ebatasane pind moodustub eri kõrgusega kihtidest, millest osa on hüdrofoobsed. Tänu vett hülgavatele ainetele jääb vesi pinnaehituse kõrgendikele pisaratena seisma, kuid õhk saab sambliku vetikatest osadeni liikuda.
Samblikud toimivad nagu vett hülgavad pinnad, mille ehitust jäljendades võiks olla võimalik luua veetihe, kuid samas hingav materjal hoonete kattedetailide valmistamiseks.
Lisaks suudavad samblikud ka vihmase ilmaga fotosünteesida. See omadus muudab nad huvipakkuvaks uurimisobjektiks õhukeste ja saasteta pealistusmaterjalide arendamiseks päikeseelementidele, et need ka pilves ja vihmaste ilmadega tõhusamalt elektrit toodaks.
Looduse ringkäigus on kõik üksteisega seotud ja tihti saavutatakse optimaalne tegevus paljude protsesside võrgustikuna, mis aga tööstuslikus planeerimises tihti ununema kipub. Paljudest eluvormidest koosneva süsteemi liikmed reageerivad häiretele eri moel, mis parandab vastupidavust ja toob kaasa innovatsioone. Kui üks tegur mängust välja langeb, täidavad teised tekkinud tühimiku ja kohanduvad uue ülesandega. Sellisel moel toimib ka näiteks inimese aju.
Erinevad ajupiirkonnad teevad üksteisega koostööd ja tänu plastilisele kohanemisvõimele suudavad näiteks õnnetusjuhtumite puhul teiste piirkondade funktsioone üle võtta. Homogeensetes süsteemides, näiteks ainult võõrliikidest koosnevates metsades, tekitavad metsatulekahjud ja tormid suurema tõenäosusega laialdasi kahjustusi ja probleeme kui endeemilistest liikidest koosnevates segametsades.
Polüfunktsionaalne kliimavõre – idee metsadest
Leht- ja segametsavööndi metsades on suviti keskmiselt kaheksa kraadi jahedam kui samal laiuskraadil asuvates linnades. Temperatuuri erinevuse põhjus on aurumine veekogudest, pinnasest ja taimestiku pinnalt ning taimauramine ehk transpiratsioon, mille puhul liigub vesi läbi taime ja aurustub lõpuks lehtede kaudu õhku.
Taimedest läbi liikumisel on vee temperatuur vaid ligikaudu 10 °C. Ka tuul aitab kaasa aurumisele ja kogu metsa jahutamisele. Linnades omakorda toodavad hooned, tänavad ja liiklus soojust ning tuul ei saa liiga tihedaks ehitatud linnadžunglis tõhusalt ringi liikuda. Tuulte pakutav leevendus, eriti kuumas ja niiskes kliimas, on aga märkimisväärne.
Prantsuse arhitekt Hugh Dutton on loonud "kliimalindid" (climate ribbon) või täpsemalt öeldes võre, mis juhib tuuled purjedele sarnasel moel Miami läheduses asuva Brickell City Centre'i välisruumidesse.
Swire Properties ehitab neljakorruselise ostukeskuse juurde hotelli ning tornelamuid elamis- ja äripindadeks, mis tähendab, et piirkond ühendab mitmeid eri vajadusi. See vähendab autoliiklust ja suurendab jalgsi käimise osakaalu.
Ümbritsevatele tänavatele avanevas ostukeskuses ei ole kliimaseadmeid, sest kliimavõre eesmärk on suunata eri ilmakaartest puhuvaid tuuli avalikes ruumides ringlema ja neid tõhusalt jahutama, täpselt nagu metsas. UV-kattega klaasiga kaetud võre moodustab elava katuse mitme kvartali suuruse piirkonna kohale ja tekitab oma mikrokliima ainuüksi passiivseid energiastrateegiaid kasutades.
Horisontaalselt paiknevaid ribakardinaid meenutav kliimavõre on ehitatud iseseisvatest ribadest, mis liiguvad tuult juhtides. Terasest, klaasist ja ilmastikukindlast riidest valmistatud konstruktsioon kaitseb eskalaatoreid ja põhimagistraale vihma ning kaupluste fassaade ja toitlustuskohtade terrasse päikeselõõsa eest ka päeva kõige kuumematel tundidel.
Ribade kaldpinnad juhivad vihmavee kogumispunktidesse, kus vett säilitatakse ja kasutatakse rohealade kastmisveena.
Polüfunktsionaalne kliimavõre on nii visuaalselt stiilne kui ka funktsionaalne. Ribad on võimalik katta õhukeste kileelementidega päikeseelektri tootmiseks.
Kliimamuutuste edenedes sobiks selline süsteem ka näiteks väikeelamute ning restoranide ja kohvikute terrasside ning muude välisruumide jahutamiseks, kaitseks liigse kuumuse eest ja päikeseelektri tootmiseks.
Tuulte kasutamine lindude moel tõstab efektiivsust
Saksamaa ettevõte Festo arendab oma programmi Bionic Learning Network raames biomehhaanilisi tööstustooteid. Selle raames loodud futuristlikes leiutistes on võetud eeskuju kängurudest, gekodest, kiilidest, meduusidest ja lindudest.
Tuulegeneraator DualWing põhineb robotil SmartBird, mille loomise tarbeks uuriti, kuidas linnud liigutavad oma tiibu eri tuuleoludes ja muudavad õhuvood liikumisenergiaks. Võrreldes traditsiooniliste tuulegeneraatorite kolme labaga rootoritega on DualWingi väikegeneraatoril kaks horisontaaltasandil asuvat tiivapaari. Servomootor juhib tiibade asendit vastavalt tuule suunale ja tugevusele.
Püstkarkassi mõlemal poolel asuvad tiivapaarid löövad kokku, kui õhuvoog nende pinnale jõuab. Süsinikkiust valmistatud tiibade lineaarsed tõsteliikumised muudetakse pöörlemisliikumiseks, mille püstkarkassis olev generaator elektriks muundab. Seadme keskmes on ka tiibade mehaanilist liikumist tuuleoludele vastavalt optimeerivad andurid. Kahe tiivapaari kasutamine kahekordistab kontaktpinda ja tõstab elektritootmise efektiivsust.
Arendusfaasis olevat generaatorit on praegu testitud laborioludes, kus selle võimsus on vastanud traditsioonilistele väiksematele tuulegeneraatoritele, seda eriti madalamatel, 4–8 meetrit sekundis puhuvate tuulte korral.
Merelimuse hambad annavad ideid kulumiskindla materjali tootmiseks
Biomimeetilistest nanomaterjalidest töötatakse välja alternatiivi eelkõige ränipõhistele päikeseelementidele. Näiteks uurib Aalto ülikooli molekulaarmaterjalide töögrupp looduslike polümeeride molekulide iseorganiseerumist struktuurideks ja funktsionaalseteks materjalideks. Teadlaste üks konkreetne uurimisobjekt on tugev, kõva, vastupidav ja ühtlasi kerge looduslik materjal – pärlmutter.
Veealune maailm huvitab ka Californias asuva Riverside’i ülikooli teadlasi, kes tegelevad ühe merelimuse, Cryptochiton stelleri hambaid katva kõva magnetiidi põhjal odavate ja efektiivsete nanomaterjalide väljatöötamisega. Neid saaks kasutada mitmesugustes energiat muundavates rakendustes.
California rannikuvetes elava limuse hammaste ehitust ja kasvu imiteerides saab parandada päikeseelementide kasutegurit ja toota kiirelt laaduvaid liitiumioonakusid. Kivide pinnal kasvavatest vetikatest toituvate limuste suu on nagu konveierilindid, kus paikneb kõrvuti 70–80 rida hambaid. Samas tempos nagu hambarivid kividel kuluvad, kasvatab limune uusi „raudhambaid” asemele.
Magnetiit on üks tuntud biomineraal ehk elusorganismide tekitatav mineraal, mis ühtlasi on ka magnetiline aine. Hammaste moodustumise protsessi selgitamine võimaldab abiprofessor David Kisailuse töörühmal töötada välja löögi- ja kulumiskindlaid nanomaterjale kangastest autode ja lennukite keredeni. Cryptochiton stelleri hammaste struktuuri modelleerimisel on suur eelis teiste praeguste nanotehnoloogiate ees, kuna biomineraaliosakesi on võimalik valmistada madalal temperatuuril – mis tähendab väiksemaid tootmiskulusid.
Lillede kroonlehtedest inspiratsiooni päikesepaneelide tootmiseks
Lillede kroonlehed, mis on väga õhukesed ja katavad suure pindala, inspireerisid Põhja-Carolina ülikooli teadlasi päikesepaneelile uut vormi nuputama. Peiulille või nelgi õie ehitust meenutavad päikeseelemendid on valmistatud germaaniumsulfiidist (GeS). Aurustudes moodustab see aine nanokilesid, mis eemalduvad üksteisest lille õielehtede taoliselt. GeS nanolille kroonlehed on ainult 20–30 nanomeetri paksused, lille enda suurusega võrreldes on kroonlehtede pindala mitmekordne. Germaaniumsulfiid sarnaneb grafiidiga, mille aatomid moodustavad korrapärase struktuuriga kihid, grafiidi lagundamisel aatomipaksusteks kihtideks saadakse aga grafeeni.
Nii grafeen kui ka germaaniumsulfiid on väga tõhusalt päikesekiirgust neelav ja energiaks muundava struktuuriga materjal, mis sobib hästi päikeseelementides kasutamiseks. GeS ei ole mürgine ja on mõnevõrra odavam kui paljud tänapäeval päikeseelementide valmistamiseks kasutatavad materjalid.
Loodusest saadi idee ka valgustundlikel värvidel põhinevate DSC-paneelide väljatöötamiseks. Päikeseelemendi titaandioksiid-nanoosakesed (TiO2) kaeti klorofüllilaadsetest valgustundlikest elementidest koosnevate värvimolekulide kihiga.
Värvimolekulid muudavad päikesekiirguse elektriks samamoodi, nagu taimed sünteesivad päikesevalguse ja klorofülli abil süsinikdioksiidist ja veest neile eluks vajalikke orgaanilisi aineid. Vaatamata sellele, et fotoelemendi materjalid on keskkonnasäästlikud, söövitab elektrolüüdina toimiv orgaaniline vedelik elemendi juba mõne kuu jooksul.
Selle probleemi vältimiseks töötas Northwesterni ülikooli teadlaste grupp vedeliku asemel välja tahke materjali – elektrolüüti asendab tseesiumi-tina-joodi (CsSnI3) kile.
Teiseks pooljuhiks on titaandioksiid ja värvimolekulide kiht paikneb nende vahel. Materjali teeb huvitavaks see, et elektronid liiguvad CsSnI3 kilel väga kiiresti. See element töötab tõhusalt ka kuuma ilmaga, vastupidiselt ränipõhistele fotoelementidele, mis kaotavad töövõimet, kui temperatuur tõuseb üle +25 °C. Seda tehnoloogiat on võimalik rakendada mitut tüüpi elementidel. Elemendi õhuke ehitus sobib hästi masstootmiseks. Uue vastupidava DSC-elemendi kasutegur on 10,2%, mis on üsna lähedal seniste DSC-elementide 11−12% kasutegurile.
Allikad: Põnevat lisalugemist ja vaatamist: https://ucrtoday.ucr.edu/11162, www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2012/05/taking-solar-technology-up-a-notch.html, www.festo.com.
