Redazione Art-Vibes | On 18, Feb 2025

Un innovativo sistema di ombreggiatura reattivo alle condizioni meteorologiche: una soluzione che utilizza meccanismi bioispirati per emulare la struttura anisotropica della cellulosa presente nei tessuti vegetali.

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di Redazione Art Vibes

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Picture: Solar Gate – © ICD/IntCDC University of Stuttgart

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I ricercatori delle Università di Stoccarda e Friburgo hanno introdotto un approccio innovativo all’architettura sostenibile con la loro ultima invenzione, il Solar Gate.

Il risultato si è tradotto in un sistema di ombreggiatura reattivo alle condizioni meteorologiche, un sistema stampato in 4D che si apre e si chiude autonomamente in risposta ai cambiamenti ambientali, senza l’ausilio di elettricità.

Sfruttando la scienza dei materiali avanzata e la fabbricazione computazionale, il Solar Gate rappresenta un passo significativo verso progetti edilizi adattivi e ad alta efficienza energetica.

 

Al centro della funzionalità del Solar Gate c’è la stampa 4D, un’estensione della tradizionale stampa 3D che incorpora materiali intelligenti in grado di trasformare la propria forma nel tempo.

Mentre la stampa 3D crea oggetti statici, la stampa 4D integra materiali reattivi che reagiscono a fattori ambientali come umidità e temperatura.

I ricercatori hanno imitato con successo la struttura delle fibre di cellulosa presenti nei tessuti vegetali e le hanno utilizzate nel loro processo di fabbricazione.

 

Solar Gate – Bioinspired Weather-Responsive Adaptive Shading. video courtesy of:
ICD Stuttgart

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Queste fibre di cellulosa di origine biologica possiedono proprietà igromorfiche, ovvero si gonfiano e si restringono in base ai livelli di umidità. Tale concetto trae ispirazione dalla natura, in particolare dal modo in cui le pigne si aprono e si chiudono a seconda dell’umidità.

Incorporando questo comportamento attraverso un processo di fabbricazione computazionale, il team ha creato strutture a doppio strato che rispondono autonomamente all’ambiente circostante.

Il Solar Gate funziona senza alcuna fonte di energia esterna, affidandosi interamente alle condizioni ambientali per funzionare. Il suo funzionamento dipende dalla sua capacità di rispondere ai cambiamenti di umidità: quando i livelli di umidità sono elevati, il materiale assorbe l’umidità e si espande, facendo sì che gli strati stampati si arriccino e si aprano.

Al contrario, in ambienti a bassa umidità, il materiale rilascia umidità, si contrae e si appiattisce, chiudendo efficacemente la struttura.

Questo comportamento consente al Solar Gate di regolare naturalmente le condizioni climatiche interne, adattandosi senza soluzione di continuità a diversi cicli stagionali senza richiedere alcun intervento meccanico.

 

Solar Gate – ©ICD/IntCDC University of Stuttgart (Photo: Conné van d’Grachten)

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Per convalidare la loro innovazione, i ricercatori hanno installato il Solar Gate sul lucernario esposto a sud del livMatS Biomimetic Shell, un edificio di ricerca presso l’Università di Friburgo progettato per studiare soluzioni biomimetiche in architettura.

Tale posizione ha fornito un ambiente ideale per osservare la funzionalità a lungo termine del sistema di ombreggiatura. Nel corso di un periodo di prova della durata di un anno, il Solar Gate ha dimostrato con successo la sua capacità di regolare autonomamente le condizioni climatiche interne rimanendo aperto in inverno per massimizzare la penetrazione della luce solare per il riscaldamento naturale e chiudendosi in estate per ridurre la radiazione solare e prevenire temperature interne eccessive.

 

Solar Gate – ©ICD/IntCDC University of Stuttgart (Photo: Conné van d’Grachten)

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Questa regolazione autonoma evidenzia il potenziale del Solar Gate come soluzione sostenibile per il controllo passivo del clima degli edifici, riducendo significativamente la dipendenza da sistemi di riscaldamento e raffreddamento ad alta intensità energetica.

 

Il Solar Gate dimostra un processo di produzione scalabile per sistemi stampati in 4D. Sono stati realizzati in totale 424 moduli automodellanti unici per otto finestre geometricamente distinte, che coprono un’area di 9,37 m². L’intero processo di produzione è stato completato in 17 giorni, con quattro stampanti 3D desktop in funzione per 10 ore al giorno. Ogni modulo unico ha richiesto 20-25 minuti per la stampa.

 

Solar Gate – ©ICD/IntCDC University of Stuttgart (Photo: Conné van d’Grachten)

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L’intero sistema di ombreggiatura è stato prodotto utilizzando 5,5 kg di filamento cellulosico, pari a 0,65 kg/m2 di filamento. La polvere di cellulosa grezza costa circa 1,52 € al chilogrammo, contribuendo all’accessibilità economica del processo. Solo il 7% dei moduli ha richiesto una ristampa a causa di difetti minori e l’1,4% ha dovuto essere sostituito dopo il test del ciclo di umidità.

La produzione dei 424 elementi unici è stata facilitata utilizzando un flusso di lavoro computazionale dalla progettazione alla fabbricazione. Le geometrie specifiche e le risposte al movimento di ogni elemento di ombreggiatura sono state inserite nel flusso di lavoro di stampa 4D, che ha generato i percorsi di stampa e il codice macchina in base alla direzione di arricciatura dei moduli a doppia aletta.

I percorsi del materiale dello strato reattivo sono orientati perpendicolarmente alla direzione di arricciatura, mentre i percorsi dello strato di restrizione sono allineati con la direzione di arricciatura.

 

Solar Gate – ©ICD/IntCDC University of Stuttgart (Photo: Conné van d’Grachten)

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Questo upscaling riuscito del processo di stampa 4D evidenzia la fattibilità di realizzare strutture automodellanti in modo efficiente in termini di tempo e costi.

 

Il Solar Gate rappresenta la prima integrazione di un sistema automodellante stampato in 4D in un edificio su scala architettonica. Gli elementi di ombreggiatura stampati sono alloggiati all’interno di telai in alluminio progettati con prese d’aria superiori e inferiori per facilitare il flusso d’aria e garantire un’esposizione continua alle variazioni ambientali senza interrompere la strategia di ventilazione dell’edificio.

Gli elementi sono sospesi da strutture di supporto in alluminio quasi invisibili incorporate in profili a U e tensionate ai telai in alluminio con elementi di fissaggio.

I telai in alluminio sono fissati alla facciata in acciaio strutturale dell’edificio, che presenta pannelli con doppi vetri per l’isolamento termico. Finestre apribili con vetro singolo e pellicola protettiva UV forniscono un ulteriore controllo sull’assunzione di calore.

Le prese d’aria consentono la regolazione delle condizioni climatiche all’interno del sistema a cassone degli elementi di ombreggiatura, consentendo di equalizzare o isolare il loro ambiente dalle condizioni esterne. La combinazione di ombreggiatura passiva con controllo climatico attivo riduce la dipendenza dai sistemi meccanici e migliora l’adattabilità.

Ogni finestra include un’infrastruttura di raccolta dati incorporata per il monitoraggio continuo delle prestazioni di ombreggiatura e consente l’ottimizzazione a lungo termine, assicurando che i meccanismi bioispirati funzionino in modo efficiente in risposta a condizioni climatiche variabili.

Di conseguenza, Solar Gate esemplifica come soluzioni sostenibili e adattabili possano essere integrate nell’ambiente costruito, aprendo la strada a un futuro più resiliente e rispettoso dell’ambiente.

 

Solar Gate – ©ICD/IntCDC University of Stuttgart (Photo: Roland Halbe)

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Il successo del Solar Gate evidenzia due progressi cruciali nell’architettura e nella scienza dei materiali. Una delle principali innovazioni è la fattibilità della produzione additiva nell’architettura sostenibile.

Utilizzando stampanti 3D standard per creare strutture complesse e funzionali, i ricercatori hanno aperto le porte a soluzioni più convenienti e scalabili.

Un altro importante progresso è il potenziale dei materiali a base di cellulosa. In quanto risorsa ampiamente disponibile e rinnovabile, la cellulosa ha dimostrato di essere un materiale eccellente per applicazioni architettoniche sostenibili, riducendo significativamente l’impatto ambientale dei componenti edilizi.

Man mano che le strutture sensibili al clima guadagnano terreno, innovazioni come Solar Gate si configurano come soluzioni apripista per spianare la strada alla costruzione di edifici autosufficienti che si adattano ai loro ambienti senza l’intervento umano.

Con ulteriore ricerca e sviluppo, tali materiali potrebbero diventare parte integrante dei futuri progetti urbani, migliorando sia la sostenibilità che l’efficienza energetica nell’architettura moderna.

 

Solar Gate – © ICD/IntCDC University of Stuttgart

 

Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, University of Stuttgart

ICD Institute for Computational Design and Construction

Prof. Achim Menges, Dylan Wood, Tiffany Cheng, Ekin Sila Sahin, Yasaman Tahouni

with support of:
Fabian Eidner, August Lehrecke, Oliver Moldow, Selin Sevim, Aaron Wagner, Esra Yaman (ICD); Aleksa Arsic, Dennis Bartl, Sebastian Esser, Sven Hänzka, Sergej Klassen, Hendrik Köhler, Kai Stiefenhofer (IntCDC Large Scale Construction Robotics Laboratory)

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IKT Institut für Kunststofftechnik
Prof. Dr. Christian Bonten, Silvia Lajewski

Cluster of Excellence livMatS – Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems, Albert-Ludwigs-Universitat Freiburg

Prof. Dr. Jürgen Rühe, Prof. Dr. Thomas Speck, Kim Ulrich


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PROJECT SUPPORT

DFG German Research Foundation
University of Stuttgart – Internal Funding for Knowledge and Technology Transfer

 

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– website: icd.uni-stuttgart.de/projects/solar-gate

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