Как термитники «дышат»: открытие механизма вентиляции, полезное для архитекторов

Термиты, используя лишь собственные тела, почву и слюну, а также ориентируясь на колебания ветра и суточные перепады температуры, создают сооружения с эффективной вентиляцией — задача, с которой до сих пор борются человеческие архитекторы.

Исследовательская группа под руководством Л. Махадевана (L. Mahadevan), профессора прикладной математики, организменной и эволюционной биологии и физики, впервые детально описала механизм вентиляции термитников. Исследование, опубликованное 31 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что эти структуры функционируют подобно лёгкому, «вдыхая» и «выдыхая» один раз в сутки при нагреве и охлаждении.

«Прямые измерения по сути опровергают устоявшуюся в этой области точку зрения, — заявил Махадеван. — Классическая теория предполагала, что ветер, обдувающий насыпь, меняет давление и может приводить к откачке CO₂ изнутри... но это никогда не измерялось напрямую. Мы измерили скорость и направление ветра внутри насыпей в разных местах. Мы измерили температуру, концентрации CO₂... и обнаружили, что температурные колебания, связанные со сменой дня и ночи, могут использоваться для управления вентиляцией, во многом подобно лёгкому. Так что насыпь, образно говоря, «дышит» раз в день».

Механизм «дыхания»

Механизм, который выявили исследователи, в значительной степени опирается на саму структуру термитников.

• Конструкция: Термитники построены вокруг большой центральной «трубы» (chimney), которая соединяет галерею (подземное пространство, где живёт основная часть колонии) с вершиной насыпи. Внутренние стены — массивные и структурные, а внешние — гораздо тоньше. Они непроницаемы для ветра, но позволяют газам диффундировать.
• Дневной цикл: Днём, когда солнечный свет прямо или косвенно нагревает внешние стены, воздух внутри них нагревается и поднимается вверх. «Тёплый воздух не может достаточно быстро пройти сквозь стены, но ему нужно куда-то деться, и единственная возможность — опуститься вниз, вглубь, через центральную трубу», — объясняет Махадеван.
• Ночной цикл: Ночью, когда внешние стены охлаждаются, поток воздуха меняет направление на противоположное и поднимает воздух из центральной части насыпи вверх.

В результате, хотя концентрация CO₂ в центре насыпи днём может достигать 4–5%, ночной воздушный поток выносит газ к внешним стенам, где он может выйти путём диффузии. «Но что здесь замечательно, так это то, как термиты используют переходные процессы. Температура снаружи насыпи колеблется, и они разработали метод использования этого для вентиляции своих сооружений», — отметил Махадеван.

Уроки для человеческой архитектуры

Это открытие может предложить полезные уроки для проектирования зданий. «В большом здании... у нас есть окна и двери, которые обеспечивают определённую степень уединения, но это также означает, что вам сложнее перемещать воздух из одной части здания в другую», — говорит Махадеван.

Принципы, описанные в исследовании, могут предложить новые подходы к пассивным системам вентиляции: «Можно ли управлять крупномасштабными потоками в таком здании, умело открывая и закрывая двери и окна? Вместо того чтобы тратить много энергии на вентиляторы и кондиционеры в каждой комнате... возможно, нам следует думать обо всём этом как о системе. Эти новые измерения показывают, что при соответствующей архитектуре вентиляция может происходить за счёт использования внешних переходных процессов — это пища для размышлений».