Solar Gate, el primer sistema de fachada adaptable impreso en 4D

El confort de interiores generalmente requiere un alto aporte de energía, lo que significa que los edificios representan una proporción significativa de las emisiones globales de carbono. En 2020, por ejemplo, las viviendas unifamiliares consumieron una media de 864 peta joules de energía de calefacción, una cifra demasiado alta. Investigadores de las Universidades de Stuttgart y Friburgo han desarrollado una solución prometedora para reducir este requerimiento de energía para calefacción y refrigeración: un sistema de fachada autosuficiente que se adapta de forma independiente a los cambios climáticos gracias a la impresión 4D. Además, el proyecto es biomimético, lo que significa que se inspiró en la naturaleza.

Solar Gate es el primer sistema de sombreado adaptativo del mundo que funciona dependiendo del clima y no requiere energía para accionarlo. Las piñas de los pinos sirvieron de modelo. Estas tienen escamas que se abren y cierran en respuesta a los cambios de humedad o temperatura sin consumir energía metabólica. Basándose en este principio, el equipo reprodujo la estructura con un tejido vegetal de celulosa utilizando impresoras 3D.

Gracias a la impresión 4D y a los materiales de celulosa fabricados a partir de materias primas renovables, el equipo ha desarrollado un sistema que se adapta automáticamente a los cambios climáticos. (Créditos: ICD/IntCDC University of Stuttgart)

«Los sistemas de fachadas arquitectónicas sensibles a la intemperie generalmente se basan en dispositivos técnicos complejos. Nosotros investigamos cómo podemos aprovechar la capacidad de respuesta del material en sí a través de métodos de diseño computarizados y fabricación aditiva. Hemos desarrollado un sistema de sombreado que se abre y se cierra de forma independiente dependiendo de las condiciones climáticas, sin necesidad de energía operativa o elementos mecatrónicos. La estructura del biomaterial en sí es la máquina», explica el profesor Achim Menges, director del Instituto de Diseño y Construcción Basados en Computadoras y portavoz del Clúster de Excelencia de Diseño y Construcción Integral Basados en Computadoras para la Arquitectura de la Universidad de Stuttgart.

Se eligió la celulosa porque es un material renovable que es abundante y reacciona a los cambios de humedad al hincharse o encogerse. Esta propiedad se conoce como hidromorfismo y está muy extendida en la naturaleza, como en las piñas de pino. El equipo aprovechó esta propiedad y fabricó fibras de celulosa de base biológica para crear una estructura de dos capas inspirada en las escamas de la piña de pino mediante impresión 4D, que puede cambiar de forma por sí misma en respuesta a influencias externas.

Para Solar Gate, los investigadores también desarrollaron un método de fabricación protegido por computadora para controlar la extrusión de materiales de celulosa utilizando una impresora 3D estándar. Este método aprovecha el comportamiento de autoformación de los sistemas de materiales impresos en 4D. Los elementos impresos pueden curvarse o abrirse, y a baja humedad, los materiales celulósicos liberan su humedad y se contraen, haciendo que los elementos impresos se aplanen y cierren en consecuencia.

La estructura de dos capas se produce a partir de materiales que contienen celulosa. (Créditos: ICD/IntCDC Universidad de Stuttgart)

“Inspirado en los movimientos higroscópicos de las escamas de piña y las brácteas del cardo plateado, el Solar Gate ha logrado transferir no solo la alta funcionalidad y robustez de los modelos biológicos a un sistema de sombreado bioinspirado, sino también la estética de los movimientos de las plantas. Esto puede considerarse como el ‘camino real de la biónica’, ya que todo lo que nos fascina sobre la fuente biológica de las ideas también se ha realizado en el producto arquitectónico bioinspirado», declara el profesor Thomas Speck, jefe del Grupo de Biomecánica Vegetal de Friburgo y portavoz del Clúster de Excelencia de Sistemas de Materiales Vivos, Adaptables y Energéticamente Autónomos (livMatS) de la Universidad de Friburgo.

Pero, ¿cómo se integra Solar Gate en la arquitectura? La funcionalidad y durabilidad del sistema ya han sido probadas durante un año en condiciones climáticas reales. Luego se adjuntó a livMatS Biomimetic Shell, el demostrador de edificios del Clúster de Excelencia IntCDC y el Clúster de Excelencia livMatS, que sirve como edificio de investigación de la Universidad de Friburgo. Además, el sistema de sombreado impreso en 4D se instala en una claraboya orientada al sur y, por lo tanto, es compatible con la regulación climática del edificio.

Más específicamente, los elementos se abren en invierno para dejar entrar la luz solar en el edificio y calentarlo, mientras que se cierran en verano para evitar el sobrecalentamiento. Todo el proceso está controlado únicamente por los cambios en el clima, lo que podría significar un gran avance para la arquitectura en el futuro, al tiempo que demuestra el potencial de la fabricación aditiva y la celulosa como material. Puedes obtener más información sobre Solar Gate aquí.

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*Créditos de la foto de portada: ICD/IntCDC University of Stuttgart