Zonwering geïnspireerd op dennenappel

Een nieuw concept voor zonwering bestaat uit elementen die reageren op weersomstandigheden zoals temperatuur en luchtvochtigheid. Onderzoekers testen het systeem in een gebouw in Freiburg, Duitsland.

Wie het binnenklimaat van een woning of kantoor wil beïnvloeden, kan de verwarming of de airco aanzetten, of zonwering gebruiken. Dat laatste kost het minste energie, en draagt dus het minst bij aan klimaatverandering.

Nu zijn er al verschillende varianten van zonwering bekend. Gordijnen kunnen dichtgetrokken worden; lamellen voor de ramen geschoven, luxaflex idem dito. Aan de buitenkant kunnen rolluiken – behalve inbrekers – ook zonnestralen tegenhouden.

Honderden elementen

Aan deze vormen van zonwering voegen onderzoekers van de Universität Stuttgart in Duitsland nu een bijzondere variant toe. Zij hebben een zonwering ontworpen die bestaat uit honderden uniek gevormde elementen die afhankelijk van temperatuur en luchtvochtigheid plat zijn of omkrullen. In die omgekrulde toestand laten ze een deel van het invallende licht door; zijn ze plat dan houden ze licht optimaal tegen. Het bijzondere van het systeem is dat het passief werkt: er zijn geen elektromotoren of een handmatige mechanisme nodig om de elementen in te schakelen.

Blad kan omkrullen

Het is opvallend hoe dat werkt. Elk element is een soort blad van een boom, en kan omkrullen door het vernuftige ontwerp. Het blad bestaat uit twee geprinte lagen: de ene is gemaakt van een stabiel en vochtbestendig biopolymeer; de andere bestaat uit vezels – een soort nerven – van cellulose. Dit is een natuurlijk materiaal dat vocht opneemt. Door cellulose slim in bepaalde richtingen te printen, zal het blad hierdoor anisotroop – niet evenveel in alle richtingen – vervormen. Het trekt krom bij toenemende luchtvochtigheid en reageert zo direct op de weersomstandigheden.

Dennenappel

De inspiratie voor dit ontwerp kwam van de dennenappel. Die heeft namelijk de eigenschap dat zijn schubben zich openen als de omgevingslucht droog is, zodat de zaden eruit kunnen vallen om zich te verspreiden. ‘We hebben in dit project samengewerkt met biologen’, vertelt Tiffany Cheng, die promoveerde aan de Universität Stuttgart op het ontwerp van de zonwering. Cheng werkt inmiddels in de Verenigde Staten, aan Cornell University, faculteit Architecture, Art & Planning, maar is nog zijdelings betrokken bij het onderzoek in Duitsland.

Vezels zijn geprint

Cheng is opgeleid als architect, en heeft zich gespecialiseerd in technieken voor 3D-printen. Alle elementen op de foto’s zijn ge-3D-print. De vezels op de elementen zijn geprint uit een filament dat cellulosepoeder bevat. Hiervoor gebruikten de onderzoekers een tamelijk standaard 3D-printer. Dat doet vermoeden dat het productieproces traag is, maar dat valt mee, zegt Cheng. ‘Als je bij 3D-printen echt de hoogte in gaat, waarvoor de techniek meestal wordt gebruikt, duurt productie lang. Maar wij maken platte producten. Komt nog bij dat we steeds vier printers tegelijk aan het werk zetten. Ook printten we heel zuinig, dus we printten alleen materiaal daar waar het nodig was.’

Acht verschillend gevormde ramen

Toch duurde het nog zeventien dagen om de 424 unieke elementen te fabriceren voor het eerste demonstratieproject. Dat was in een gebouw van de Universität Freiburg, waar de nieuwe zonwering werd gemaakt voor acht verschillend gevormde ramen, Solar Gate genaamd, met een totaaloppervlakte van 9,37 m². Vier compacte 3D-printers stonden dagelijks tien uur lang te draaien. Het printen van elke unieke module kostte 20 à 25 minuten. ‘Ik heb zes jaar gewerkt aan het printsysteem voor ik er genoeg vertrouwen in had om dit in een gebouw toe te passen. Elk element heeft een unieke geometrie en buigrichting. Het is de grote kracht van 3D-printen dat je tegelijk grote aantallen van iets kunt produceren, maar toch elk onderdeel unieke eigenschappen kunt geven’, zegt Cheng.

Zonweringselementen reageren op buitenlucht

De zonwering zit steeds tussen twee ramen in, om niet helemaal blootgesteld te zijn aan de elementen. ‘Aan de onder- en bovenkant is die constructie open, zodat het materiaal van de zonweringselementen wel kan reageren op buitenlucht’, zegt Cheng. In het universiteitsgebouw zit het systeem nu bijna twee jaar op zijn plek. ‘Voordat we het Solar Gate-systeem in een gebouw plaatsten, hadden we eerst een model van het systeem meer dan veertien maanden lang getest in de praktijk. Dat was lang genoeg om alle seizoenen een keer mee te maken. We zagen geen enkele verandering in hoe de elementen zich gedragen en dat gaf ons vertrouwen om het in een echt gebouw toe te passen.’

Klein effect

Dan de vraag hoe effectief het nieuwe concept voor zonwering is. In hoeverre koelt zo’n passief systeem een ruimte? Cheng: ‘Dat hebben we niet heel precies gemeten. We zien een klein koelend effect, maar dat willen we nog preciezer gaan meten.’

Open source

Er zijn nog geen plannen om de zelfregulerende zonwering door te ontwikkelen tot een commercieel product. ‘Maar ik ben gepassioneerd over dit soort oplossingen die bijdragen aan het stoppen van klimaatverandering’, zegt Cheng. ‘Dus ik wil deze technologie open source maken en gratis beschikbaar stellen aan wie ermee aan de slag wil. Steeds meer mensen kunnen overweg met 3D-printers, dus ik hoop dat ze met mijn tools zelf aan de slag gaan.’

 
Foto’s: ICD / IntCDC Universität Stuttgart