Costruire bionico

Tra Natura ed Architettura, l’insegnamento ecologico della bionica
Werner Nachtigall

Una premessa: costruire o edificare confrontandosi con la natura, magari copiandola in maniera pedissequa, non è possibile. Tuttavia il confronto tra edifici e costruzioni naturali però allargare l’orizzonte, aiutare a percorrere vie non convenzionali, essere utile ad esempio se bisogna affrontare problemi di ottimizzazione energetica integrandosi meglio, sintonizzandosi, con l’ambiente e le circostante ambientali. La natura ha avuto molto tempo a disposizione per ottimizzare le proprie costruzioni, i processi ed i principi di sviluppo. E questo presupposto ci consente di presumere che i principi naturali sono maturati e interrelati in maniera ottimale. Altrettanto non è possibile affermare guardando le costruzioni dell’uomo. Soprattutto per questo motivo è sicuramente stimolante (se non addirittura eccitante) per l’architetto o l’ingegnere porre lo sguardo su elementi guida naturali. Come detto: la natura non va copiata direttamente, ma va posta in analogia alla tecnica. Attraverso un confronto analogico si ricavano molte informazioni per capire e quindi approfondire. Concentrandoci sulla bionica edile, è chiaro che ogni attuazione deve seguire lege artis le discipline della tecnologia edile allontanandosi così quasi sempre dal paradigma naturale.
Il biologo svizzero M.Luescher ha esaminato una volta il bilancio climatico delle costruzioni delle termiti. Ad esempio le termiti africane macrotermes bellicosus costruiscono in maniera diversa a seconda dei luoghi: sulla Costa d’Avorio si scavano lunghissimi condotti sotterranei, chiusi e coperti di materiale poroso; le termiti dell’Uganda costruiscono cunicoli aperti verso il basso ma chiusi verso l’alto, che terminano in cul de sac, sopra i quali è accumulato materiale poroso. L’irraggiamento solare e il calore del metabolismo animale determina all’interno dell’abitazione un circuito d’aria la cui direzione è in funzione dell’ora e dell’intensità dell’irraggiamento solare. Questo flusso aspira aria fresca e umida dai vani interrati, che passa attraverso la camera della formica regina, per essere convogliata in una specie di duomo al di sopra della camera reale da cui viene nuovamente riconvogliata nei sotterranei o emessa verso l’esterno attraverso le condutture laterali. Questo tragitto (dall’interno verso l’esterno) consente allo stesso tempo l’espulsione di CO2 e il reintegro di ossigeno. Per passare alle formiche di casa nostra, la formica rossa del bosco costruisce formicai alti circa un metro in cui in rapporto con l’esposizione solare si articola diversamente. In questo caso gli animali sono infatti tesi a captare l’energia del sole. Il nido è per la più parte interrato sotto il tumulo di circa un metro ma entra anche nel rilievo. Abbiamo quindi che la superficie intorno al rilievo è meno irraggiata dal sole rispetto al tumulo inclinato; la resa ottimale media si ha se la pendenza del mucchio è perpendicolare al sole in primavera. Verificando i casi, si scopre che è proprio così. È lo stesso principio che applichiamo quando costruiamo una serra captante: l’inclinazione ottimale del vetro sarà quella pendicolare all’irraggiamento solare in primavera (angolo medio dell’incidenza del raggio solare). Così le perdite per riflessione vengono minimizzate. Alcuni termiti, le macrotermes, concludono le loro costruzioni dei camini che, in caso di irraggiamento solare, diretto si scaldano molto. Simile è anche il funzionamento di rilievi costruiti dalle termiti compasso, i quali nella parte superiore appaiono trafitti da condotte che funzionano come camini. L’aria calda che sale determina una sottopressione che attrae dal basso l’aria più fresca. La base della costruzione in qualche caso raggiunge il libello della falda freatica, che mantiene la terra fresca e umida, attraverso condotti lunghi anche dozzina di metri. Questo consente alle termiti compasso di mantenere costante la temperatura all’interno delle loro abitazioni intorno ai 31°C. anche se la temperatura esterna sale a 44° gradi all’ombra. Nelle situazioni più esterne, modificano la sezione del cammino aggiungendo o sottraendo materiale edilizio. Un edificio dell’Università di Leicester in Inghilterra, è stato progettato e costruito secondo questo principio, applicando cioè i criteri della termoregolazione delle termiti. La torre climatica è alta 13 metri ed è costruita in laterizio. In questo caso il sistema low tech funziona solo se aiutato da un sistema high tech, che regola l’afflusso dell’aria in maniera simile a quanto accade per le termiti. Anche ad Eastgate Harare Zimbawe è stato costruito un grande complesso per uffici con elementi di climatizzazione che seguono il principio usato dalle termiti. L’architetto Mike Pearce doveva risolvere il compito di costruire un edificio in cui fosse possibile vivere senza usare aria condizionata né riscaldamento. In collaborazione con lo studio Ove Arup ha risolto il problema utilizzando delle condutture per l’aria che all’interno dell’edificio formano un sistema di collegamento tra doppi solai, pavimenti e pareti. L’aria fresca entra dall’atrio e attraverso il sistema entra nelle stanze attraverso delle fessure collocate nei battiscopa. L’aria calda viene convogliata ed assorbita da un gruppo centrale di 48 camini, secondo il principio passivo utilizzato dalle termiti dell’aria calda che, più leggera, sale. Il calore dell’irraggiamento viene invece accumulato nel cemento ed è così a disposizione durante le ore notturne e la mattina. Altro esempio: la città di Harare sta a quota 1500 s.l.m. e di notte si sfiorano temperature intorno allo zero. L’applicazione di questo concetto bionico ha consentito il risparmio di circa il 10 % dei costi di costruzione (l’intero edificio è costato 36 milioni di dollari) con un consumo di energia elettrica mensile inferiore del 50 % rispetto ad un edificio analogo nella stessa città. La temperatura media di questo palazzo bionico è intorno ai 23 / 25°C. Senza immissione di aria fresca salirebbe a 35°C.

Il principio di Bernoulli
In una valvola viene generata sottopressione (ricordiamo il principio della nebulizzazione). Il teorema di Bernoulli rappresenta bene il principio di conservazione dell'energia: se un fluido si muove in un condotto in condizioni stazionarie (in maniera cioè che in nessun punto si abbia accumulo o rarefazione) la conservazione della massa impone che, se il fluido è incomprimibile, la densità rimanga costante. Cioè la velocità del fluido sarà inversamente proporzionale alla sezione del tubo. Infatti in un sistema orizzontale attraversato da un flusso, la pressione totale è costante. Là dove il tubo si assottiglia, la legge della continuità impone l’aumento della velocità di flusso e quindi della pressione. Per cui la pressione di parete è più bassa della pressione esterna e in questo punto è possibile che il fluido interno venga risucchiato dal fluido esterno. I salti in un sistema di flusso funzionano come valvole a farfalla. I vermi della specie arenicola costruiscono il loro condotti a forma di U in maniera tale da fare emergere un’uscita sul livello più basso e l’altra su quello più alto di un banco di sabbia in un fiume con acqua bassa. La corrente perpendicolare al banco produce nel punto più alto un effetto di sottopressione, che assorbe acqua fresca all’interno del tubo, fornendo così al verme tutto l’ossigeno necessario per la sua sopravvivenza. Se il flusso non è più perpendicolare alla banchina ma si inclina, l’effetto diminuisce secondo la legge Sinus. Altri esempi noti di questo tipo sono le costruzioni di alcuni vertebrati scavatori: i cani delle praterie (cynomys ludovicianus) costruiscono i loro tunnel a forma di U depositando il materiale di scavo ad una estremità in maniera da creare un piccolo mucchio “vesuviano” mentre l’apertura di fronte viene appiattita. Seguendo il principio di Bernoulli il vento delle praterie attraversa la tana e fuoriesce dove c’è il mucchio vesuviano. Siccome il mucchio è conico, l’effetto di flusso è indipendente dalla direzione del vento. Vogel ed altri dell’Università di Duke, Durham, hanno simulato dei modelli di tana di cane delle praterie a scala 1:10 verificando che, superata la fase di abbrivio del sistema, il tempo necessario al flusso per coinvolgere l’intero volume è proporzionale alla velocità del vento. Trasferendo i valori ottenuti su una tana con una lunghezza di 20 metri, si riscontra che già piccole quantità di vento producono effetti straordinari: un vento di 0,4 m/s arieggia l’intera costruzione in 10 minuti. Con una velocità di 3,2 m/s sono sufficienti 5 minuti. Senza una areazione secondo il principio di Bernoulli, la vita in costruzioni sarebbe impossibile per tali animali e questo determinerebbe incidenze sull’intero ecosistema delle praterie nordamericane.
Olsyewski e Skozen hanno dimostrato che anche le costruzioni delle talpe europee vengono arieggiate secondo lo stesso sistema, in cui la velocità di flusso del fluido segue la velocità del vento. È il principio applicato in Iran e in molte regioni del Nordafrica per areare in maniera forzata le cisterne. Il vento passa attraverso un buco praticato in una cupola sul punto più alto: secondo Bernoulli viene assorbita l’aria umidificata dall’acqua evaporata dalla cisterna. Poiché l’evaporazione di un grammo d’acqua alla temperatura di 20°C consuma 2,3 kj di calore, l’acqua della cisterna viene raffrescata. Elementi sul tetto, apparentemente solo ornamentali, possono incrementare l’effetto. Gruner cita sistemi d’areazione nelle case nigeriane, soprattutto nella fascia del delta. Sono state rinvenute anche nelle moschee di Djennè. Si tratta di piccole aperture nel lastrico solare. Sembrano i mucchietti fatti dalle talpe. Al di sotto si nascondono vasi di forma sferiche che mantengono aperto un condotto verso il vano interno. Sono disposte in lunghe file e possono essere chiuse con un semplice coperchio di cotto. Buon esempio di come sia possibile applicare oggi il principio di Bernoulli è il padiglione fatto da Thomas Herzog all’Expò di Hannover. Nei punti più alti sono stati applicati, così come nel Design-center di Linz, delle ali Venturi, che imprimono accelerazione all’aria. Le opposte pareti inclinate, opportunamente traforate agiscono come captatori di pressione del vento.
Ancora: l’utilizzo della pressione aerodinamica. In un m³ d’aria dalla massa M, che fluisce con la velocità v, l’energia cinetica contenuta 1/2M (1m³ aria)v². Si può anche dire, che l’energia rapportata all’unità di volume v comporta 1/ 2 v² ( ρ = m/v = densità dell’aria). Se l’aria presa in esame fluisce contro una parete verticale e viene frenata su v = o, l’energia cinetica si manifesta come pressione aerodinamica, che può generare effetti diversi. Per esempio mettere in movimento una quantità d’aria accumulata. La stessa cosa vale per le correnti d’acqua. Le larve di una mosca sudamericana (Hzdropsychiadae) hanno sviluppato un impianto di attraversamento di flusso secondo il principio di pressione dinamica, avvicinandosi fortemente alle strutture orientali Bag-dir. Queste larve scavano dei corridoi a volta con dei “captatori di pressione dinamica”, dove nella parte inferiore della U viene applicata una rete finissima con delle maglie di 3 -20 μ. Il corridoio abitato dalla larva, lunga 2 cm, sfocia in prossimità della rete. Anche alcune conchiglie (Clavagella) usando i loro acidi scavano la roccia di calcare da loro abitata esponendo verso l’esterno le loro lunghe cannule attraverso cui fluisce e defluisce l’acqua. Questi tubi vengono pian piano avvolti da sostanza calcare parallelamente alla crescita della conchiglia. La sporgenza creatasi, a forma di tettuccio, possiede una funzione meccanica di flusso. La stessa cosa vale anche per le costruzioni “capta-vento” dell’ape priva di pungiglione trigona testacea e della vespa angiopolybia pallens. Similmente ai “captatori di vento” di Renzo Piano a Noumèa lavorano le costruzioni a tetti sporgente della popolazione Toradja nella foresta tropicale di Sulavesis sud. Ampio utilizzo del principio della pressione dinamica si ritrova nelle antiche torri del vento persiane o nei ventilatori di Badghir nel Pakistan e in Mesopotamia. Di solito i principi di areazione e climatizzazione vengono impiegati in combinazione, per esempio l’umidità e il fresco della terra. Sempre Herzog, nel padiglione 26 dell’Expo ha applicato il principio di Bernoulli (il risucchio del vento) e il principio di pressione aerodinamica. Tali esempi mostrano le possibilità e i limiti della scienza dell’analogia, che collega la biologia e la tecnica.