Visualisering af varmeflow i bambus kan hjælpe med at designe mere energieffektive og brandsikre bygninger

Modificerede naturlige materialer vil være en væsentlig komponent i en bæredygtig fremtid, men først er der behov for en detaljeret forståelse af deres egenskaber. Måden varme strømmer på tværs af bambuscellevægge er blevet kortlagt ved hjælp af avanceret scanning termisk mikroskopi, giver en ny forståelse af, hvordan variationer i termisk ledningsevne er forbundet med bambusens elegante struktur. Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , vil lede udviklingen af ​​mere energieffektive og brandsikre bygninger, lavet af naturlige materialer, i fremtiden.

Byggesektoren står i øjeblikket for 30-40 % af alle kulstofemissioner, på grund af både den energikrævende produktion af materialerne (overvejende stål og beton), og den energi, der bruges til at opvarme og køle de færdige bygninger. Efterhånden som den globale befolkning vokser og bliver mere og mere baseret i byer, traditionelle byggemetoder er ved at blive uholdbare.

Vedvarende, plantebaserede materialer som bambus har et enormt potentiale for bæredygtige og energieffektive bygninger. Deres brug ville reducere emissionerne dramatisk sammenlignet med traditionelle materialer, bidrage til at afbøde den menneskelige påvirkning af klimaændringer. Denne tilgang vil også hjælpe med at holde kulstof ude af atmosfæren ved at lede træ væk fra at blive brændt som brændstof.

Undersøgelsen involverede scanning af tværsnit af karvæv af bambus, det væv, der transporterer væske og næringsstoffer inde i planten. De resulterende billeder afslørede en indviklet fiberstruktur med skiftende lag af tykke og tynde cellevægge. Toppe af termisk ledningsevne i bambusstrukturen falder sammen med de tykkere vægge, hvor kæder af cellulose - den grundlæggende strukturelle komponent af plantecellevægge - er lagt ned næsten parallelt med plantestammen. Disse tykkere lag giver også bambus sin styrke og stivhed. I modsætning, de tyndere cellevægge har lavere varmeledningsevne på grund af, at cellulosekæder er næsten i en ret vinkel på plantestammen.

"Naturen er en fantastisk arkitekt. Bambus er struktureret på en virkelig smart måde, " sagde Darshil Shah, en forsker ved Cambridge University's Department of Architecture, der ledede undersøgelsen. "Den vokser med en millimeter hvert halvfemsindstyvende sekund, hvilket gør det til et af de hurtigst voksende plantematerialer. Gennem de billeder, vi indsamlede, vi kan se, at det gør dette ved at skabe en naturlig krydslamineret fiberstruktur."

Mens der er blevet forsket meget i bambus cellestruktur i forhold til dets mekaniske egenskaber, næsten ingen har set på, hvordan cellestrukturen påvirker materialets termiske egenskaber. Mængden af ​​opvarmning og afkøling, der kræves i bygninger, er grundlæggende relateret til egenskaberne af de materialer, de er lavet af, især hvor meget varme de leder og lagrer.

En bedre forståelse af bambuss termiske egenskaber giver indsigt i, hvordan man kan reducere energiforbruget i bambusbygninger. Det muliggør også modellering af den måde, bambusbygningskomponenter opfører sig på, når de udsættes for ild, så der kan indarbejdes foranstaltninger til at gøre bambusbygninger mere sikre.

"Folk kan bekymre sig om brandsikkerheden i bambusbygninger, " sagde Shah. "For at løse dette ordentligt er vi nødt til at forstå de termiske egenskaber af byggematerialet. Gennem vores arbejde kan vi se, at varme bevæger sig langs de strukturunderstøttende tykke cellevægsfibre i bambus, så hvis den udsættes for varmen fra en ild, kan bambus blødere hurtigere i retning af disse fibre. Dette hjælper os med at finde ud af, hvordan vi forstærker bygningen på passende vis."

På nuværende tidspunkt produkter såsom lamineret bambus er mest almindeligt anvendt som gulvmaterialer på grund af deres hårdhed og holdbarhed. Imidlertid, deres stivhed og styrke er sammenlignelig med konstruerede træprodukter, gør dem også velegnede til strukturelle formål. "Tværlamineret træ er et populært valg af trækonstruktionsmateriale. Det er lavet ved at lime lag af savet træ sammen, hver i en ret vinkel på laget nedenfor, " sagde Shah. "At se dette som en naturlig struktur i bambusfibre er inspiration til udviklingen af ​​bedre byggeprodukter."

Holdet af forskere, fra University of Cambridge og University of Natural Resources and Life Sciences Wien, har også planer om at se på, hvad der sker med varmestrømmen i bambus, når dens overflade brændes og danner forkulling. Brugen af ​​scanning termisk mikroskopi til at visualisere den indviklede sammensætning af planter kan også være nyttig inden for andre forskningsområder, såsom at forstå, hvordan mikrostrukturelle ændringer i afgrødestængler kan få dem til at vælte på markerne, hvilket resulterer i tabt høst.

Shah er medlem af University of Cambridges tværfaglige Center for Natural Material Innovation, som har til formål at fremme brugen af ​​træ i byggeriet ved at ændre træets vævsskalaegenskaber for at gøre det mere pålideligt under skiftende miljøforhold.