Le système d’ombrage auto-ajustable imite les pommes de pin pour une réponse météorologique autonome en énergie

En utilisant des pommes de pin comme modèle, des chercheurs des universités de Stuttgart et de Fribourg ont développé un nouveau système de façade autonome en énergie qui s’adapte passivement aux intempéries. La revue Communications naturelles a publié les résultats de la recherche.

“La plupart des tentatives de réactivité aux intempéries dans les façades architecturales reposent en grande partie sur des dispositifs techniques élaborés. Nos recherches explorent la manière dont nous pouvons exploiter la réactivité du matériau lui-même grâce à une conception informatique avancée et à la fabrication additive”, explique le professeur Achim Menges, directeur de l’Institut de conception informatique. et construction (ICD) et porte-parole du Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) de l’Université de Stuttgart.

“Nous réalisons un système d’ombrage qui s’ouvre et se ferme de manière autonome en réponse aux changements météorologiques, sans avoir besoin d’énergie opérationnelle ni d’éléments mécatroniques. La structure biomatérielle elle-même est la machine.”

En utilisant une conception bioinspirée, des matériaux naturels et des technologies largement accessibles, des chercheurs des universités de Stuttgart et de Fribourg ont développé le système de façade « Solar Gate », le premier système d’ombrage adaptatif et sensible aux intempéries qui fonctionne sans énergie électrique.

Les scientifiques ont utilisé les mécanismes de mouvement des pommes de pin comme modèle pour la Porte Solaire, qui s’ouvre et se ferme en réponse aux changements d’humidité et de température sans consommer d’énergie métabolique. L’équipe a réussi à reproduire la structure anisotrope (dépendante de la direction) de la cellulose dans les tissus végétaux à l’aide d’imprimantes 3D standards.

Matériaux hygromorphiques biosourcés et impression 4D bioinspirée

La cellulose est une matière naturelle, abondante et renouvelable qui gonfle et rétrécit avec les variations d’humidité. Cette propriété, connue sous le nom d’hygromorphisme, est fréquemment observée dans la nature, par exemple dans l’ouverture et la fermeture des écailles des pommes de pin ou des inflorescences du chardon argenté. L’équipe de recherche a exploité cette propriété hygromorphique en fabriquant sur mesure des fibres de cellulose biosourcées et en les imprimant en 4D dans une structure bicouche inspirée des écailles de la pomme de pin.

Les systèmes matériels produits par cette technique de fabrication additive appelée impression 4D peuvent changer de forme de manière autonome en réponse à des stimuli externes. Pour le Solar Gate, les chercheurs ont développé une méthode de fabrication informatique pour contrôler l’extrusion de matériaux cellulosiques à l’aide d’une imprimante 3D standard, permettant ainsi d’exploiter le comportement auto-formant et réversible du système de matériaux imprimés en 4D.

En cas d’humidité élevée, les matériaux cellulosiques absorbent l’humidité et se dilatent, provoquant l’enroulement et l’ouverture des éléments imprimés. À l’inverse, en cas de faible humidité, les matériaux cellulosiques libèrent de l’humidité et se contractent, provoquant l’aplatissement et la fermeture des éléments imprimés.

“Inspiré par les mouvements hygroscopiques des écailles des pommes de pin et des bractées du chardon argenté, Solar Gate a réussi à traduire non seulement la haute fonctionnalité et la robustesse des modèles biologiques en un système d’ombrage bio-inspiré, mais également l’esthétique des mouvements des plantes. Cela peut être considérée comme la « voie royale de la bionique », car tout ce qui nous fascine dans les générateurs de concepts biologiques a également été réalisé dans le produit architectural bio-inspiré », déclare le professeur Thomas Speck, directeur de l’usine Biomechanics Group Freiburg et porte-parole du Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-Autonomous Materials Systems (livMatS) de l’Université de Fribourg.

Intégration architecturale d’éléments autoformants

L’équipe de recherche a testé la fonctionnalité et la durabilité du système d’ombrage adaptatif bioinspiré dans des conditions météorologiques réelles pendant plus d’un an. Le Solar Gate a ensuite été installé sur le livMatS Biomimetic Shell, un bâtiment de démonstration du Cluster of Excellence IntCDC et du Cluster of Excellence livMatS, qui sert de bâtiment de recherche à l’Université de Fribourg.

Le système d’ombrage a été installé sur sa lucarne orientée sud, ce qui contribue à la régulation du climat intérieur du bâtiment. En hiver, les éléments d’ombrage imprimés en 4D s’ouvrent pour laisser entrer la lumière du soleil et assurer un chauffage naturel. En été, ils ferment pour minimiser le rayonnement solaire. Alimenté uniquement par les cycles météorologiques quotidiens et saisonniers, ce processus adaptatif fonctionne sans aucune alimentation électrique.

Le Solar Gate représente ainsi une alternative autonome en énergie et économe en ressources aux systèmes d’ombrage conventionnels. Étant donné que les bâtiments représentent une part importante des émissions mondiales de carbone en raison de l’énergie généralement élevée nécessaire pour maintenir le confort intérieur, la réduction de l’énergie nécessaire au chauffage, au refroidissement et à la ventilation est d’une grande importance.

Le Solar Gate met en évidence le potentiel de technologies accessibles et rentables telles que la fabrication additive et montre comment la cellulose, en tant que matériau abondant et renouvelable, peut contribuer à des solutions architecturales durables.