Pensilvanya Üniversitesi araştırmacıları, Afrika fillerinin çatlaklarla kaplı ve suyu tutabilen derisinden esinlenerek binaları klima kullanmadan serinletebilecek düşük maliyetli, çimento esaslı bir kaplama malzemesi geliştirdi. Suyu hızla emen ve saatler boyunca yavaşça buharlaştıran yeni malzeme, sıcaklıkların yükseldiği kentlerde enerji tüketimini ve soğutmaya bağlı karbon salımını azaltabilecek bir çözüm olarak değerlendiriliyor.
İnsan vücudu sıcak havalarda terleyerek serinliyor. Derinin üzerindeki su buharlaşırken çevresinden ısı çekiyor ve böylece vücut sıcaklığının düşmesine yardımcı oluyor. Ancak bütün canlılar terleyemiyor. Afrika filleri de ter bezleri bulunmamasına rağmen kavurucu savan sıcaklıklarına dayanabilen hayvanlar arasında yer alıyor.
Pensilvanya Üniversitesi araştırmacılarının dikkatini çeken özellik ise fillerin koyu gri, kalın ve çatlaklarla kaplı derisi oldu. Filler üzerlerine su püskürttüğünde ya da çamura girdiklerinde, derilerindeki ince kırışıklıklar ve çatlaklar suyu yüzeyde tutuyor. Bu suyun yavaş yavaş buharlaşması, hayvanların uzun süre serin kalmasını sağlıyor.
Binalara “terlemeden” serinleme özelliği
Pensilvanya Üniversitesi Weitzman Tasarım Okulu’ndan mimarlık doçenti Dorit Aviv ile Penn Mühendislik Fakültesi’nden malzeme bilimci Shu Yang, fillerin bu doğal soğutma sistemini binalara uyarlamayı amaçladı.
Araştırmacılar, suyu yakalayabilen, bünyesinde tutabilen ve kontrollü biçimde buharlaştırabilen çimento esaslı ince bir karo geliştirdi. Böylece bina yüzeylerinin vantilatör, kompresör, elektrikli pompa ya da hareketli mekanik parçalar kullanılmadan serinletilmesi hedeflendi.
Aviv’e göre binalar insanlar gibi terleyemese de dış yüzeyleri, doğal buharlaşma süreçlerinden yararlanacak şekilde tasarlanabilir. Araştırma ekibi, bu düşünceden hareketle geleneksel yapılarda genellikle kusur ve dayanıksızlık işareti olarak görülen çatlakları işlevsel bir soğutma sistemine dönüştürdü.
Çatlaklar bu kez kusur değil, su kanalı
Geleneksel yapı malzemelerinde çatlaklar çoğunlukla malzemenin bozulmaya başladığını gösteriyor. Yeni yöntemde ise çatlakların nerede ve nasıl oluşacağı önceden belirleniyor.
Malzemenin yüzeyinde meydana getirilen mikroskobik çatlaklar, suyu karo boyunca taşıyan kılcal kanallar gibi çalışıyor. Karo içerisindeki gözenekler ise küçük su depoları görevi görüyor.
Araştırmacılar böylece suyun depolanması ile yüzey üzerinde dağıtılmasının birbirinden farklı iki görev olduğunu ortaya koydu. Malzemenin içindeki mikroskobik boşluklar su damlalarını hızla emerken, özel olarak tasarlanan çatlak ağı suyu yüzeye yayıyor ve belirli bölgelerde birikmesini önlüyor.
Fosilleşmiş alglerden yararlanıldı
Yeni kaplama malzemesi, sıradan Portland çimentosu ile “diyatomlu toprak” olarak bilinen gözenekli bir maddenin karışımından üretiliyor. Diyatomlu toprak, mikroskobik su yosunlarının fosilleşmiş kalıntılarından oluşuyor ve yüksek su emme kapasitesiyle biliniyor.
Karışım ince karolar hâlinde döküldükten ve kısmen sertleştikten sonra kontrollü koşullarda kurutuluyor. Kuruma sırasında malzeme küçülüyor ve içerisinde gerilim oluşuyor. Bu gerilim, önceden belirlenen geometrik hatlar boyunca serbest bırakılarak rastlantısal kırıklar yerine düzenli bir çatlak ağı meydana getiriyor.
Ortaya çıkan bal peteğini andıran altıgen yapı, suyun doğrudan aşağı akmasını engelliyor. Su, yüzey üzerinde yanlara doğru zikzak çizerek ilerliyor ve eğimli yüzeylerde bile yer çekimine karşı dağıtılabiliyor.
Su damlaları milisaniyeler içinde emiliyor
Araştırma sonuçlarına göre yüzeye ulaşan su damlaları geri sıçramak veya akıp gitmek yerine milisaniyeler içinde malzeme tarafından emiliyor. Ardından su, çatlaklar boyunca karonun farklı bölgelerine taşınıyor.
Suyun yüzeyle temas süresinin uzaması, buharlaşmalı soğutmanın daha uzun süre devam etmesini sağlıyor. Araştırmacılar, sistemin tek bir sulama döngüsünün ardından 20 saate kadar soğutma sağlayabildiğini bildiriyor.
Sıcaklık farkı dikkat çekti
Laboratuvar deneylerinde karolar kızılötesi ısıya maruz bırakıldı ve belirli aralıklarla sulandı. Yeni malzemenin altındaki sıcaklık yaklaşık 32 santigrat derecede sabit kaldı.
Buna karşılık çatlaklı ticari sıva yüzeyinin sıcaklığı yaklaşık 42 santigrat dereceye, çatlağı bulunmayan geleneksel sıvanın sıcaklığı ise yaklaşık 52 santigrat dereceye yükseldi.
Araştırmacılar, biyolojik sistemlerden ilham alan bu pasif cephe kaplamasının geleneksel sıvaya göre yüzey sıcaklığını yaklaşık 5,5 ila 11 santigrat derece düşürebileceğini belirtiyor.
Klima kullanımını ve enerji tüketimini azaltabilir
Mekanik klimalar yalnızca büyük miktarda elektrik tüketmekle kalmıyor, aynı zamanda kapalı alanlardan çıkardıkları ısıyı dışarı vererek kentlerdeki sıcaklık birikimine de katkıda bulunuyor.
Yeni sistem ise doğrudan binanın dış yüzeyini serinletiyor. Malzemenin çalışması için fanlara, soğutucu gazlara veya karmaşık mekanik sistemlere ihtiyaç duyulmuyor.
Shu Yang, ABD’de insanların zamanlarının yaklaşık yüzde 90’ını kapalı ortamlarda geçirdiğine, binaların ise ülkenin birincil enerji tüketiminin yaklaşık yüzde 40’ından sorumlu olduğuna dikkat çekiyor. Bu enerjinin önemli bir bölümü ısıtma, soğutma ve havalandırma için kullanılıyor.
Bu nedenle pasif biçimde çalışan yapı cephelerinin, özellikle aşırı sıcaklarla karşı karşıya bulunan şehirlerde klima ihtiyacını ve buna bağlı elektrik tüketimini azaltabileceği düşünülüyor.
Büyük yüzeylere uygulanabilecek
Araştırmacılar, geliştirdikleri çimento ve diyatomlu toprak karışımının yalnızca küçük laboratuvar karolarında kullanılmadığını, püskürtme tabancaları yardımıyla geniş panellere de uygulanabildiğini gösterdi.
Bu yöntem, malzemenin doğrudan şantiyelerde ve büyük ölçekli bina cephelerinde üretilebilmesinin önünü açabilir. Kullanılan hammaddelerin görece ucuz ve yaygın olması da teknolojinin ölçeklenebilirliğini artıran unsurlar arasında gösteriliyor.
Hava durumuna göre otomatik sulama
Araştırma ekibi gelecekte sistemi hava tahminleri ve akıllı bina teknolojileriyle birleştirmeyi planlıyor.
Önerilen sistemde bina cephesindeki karolar, sıcaklık ve hava durumu verilerine göre otomatik olarak sulanabilecek. Böylece malzemeye yalnızca soğutmaya ihtiyaç duyulduğu zaman ve gereken miktarda su verilecek.
Araştırmacılara göre bu yaklaşım, daha fazla su püskürtmek yerine suyu doğru zamanda, doğru noktaya ve ölçülü biçimde ulaştırmayı mümkün kılabilir. Böylece en yüksek soğutma etkisi sağlanırken su tüketimi de en düşük düzeyde tutulabilir.
Doğayla mücadele etmek yerine doğayla birlikte çalışan binalar
Dorit Aviv, aşırı sıcakların günümüzde iklim bağlantılı en ölümcül tehlikelerden biri hâline geldiğini belirterek, yapıların uzun yıllardır dış çevreden tamamen yalıtılmaya çalışıldığını ifade ediyor.
Aviv’e göre gelecek nesil binaların yalnızca çevre koşullarına direnmesi değil, bu koşullarla birlikte çalışması gerekiyor. Afrika fillerinin derisinden ilham alan yeni malzeme de doğadaki basit bir mekanizmanın modern şehirlerde nasıl işlevsel bir iklim çözümüne dönüştürülebileceğini gösteriyor.
Araştırma, bilimsel hakemli Advanced Materials dergisinde yayımlandı. Çalışma ABD Enerji Bakanlığı ile ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi.
Kaynak: Penn Today – University of Pennsylvania, Nathi Magubane
