Ventilatie zonder energie, dankzij de denneappel


Foto: De natuur als uitvinder

Denneappels zijn natuurlijke vochtigheidssensoren. In natte omstandigheden liggen ze met gesloten schubben op de grond, maar als de grond droog is, staan hun schubben open. Omdat de kans op bosbrand toeneemt bij droogte, houden boswachters de kegelvruchten goed in de gaten.

Denneappels zijn de vrouwelijke voortplantingsorganen van dennenbomen en bevatten zaden. Deze zaden staan beter bekend als pijnboompitten, vernoemd naar de pijnboom, een ouderwetse benaming voor bepaalde dennensoorten. Na de bevruchting via de wind door mannelijke pollen groeien de schubben van de kegelvrucht totdat ze stevig tegen elkaar zijn gedrukt en zo de zaden omsluiten en beschermen. Eenmaal uitgegroeid sterven de cellen van een denneappel af. Net als hout bestaat een volwassen denneappel uit dood, maar functioneel materiaal.

De rijpe zaden verspreiden zich bij droog weer, zodat de wind de zaden zo ver mogelijk van de moederboom kan wegdragen. Daarom openen de schubben na rijping zich pas bij droog weer. Het mechanisme van openen (en ook sluiten) is vergelijkbaar met die van een eenvoudige thermostaat.

De werking van een thermostaat berust op een bimetaal, een strip bestaande uit twee verschillende soorten metalen. Beide metalen reageren verschillend op temperatuursveranderingen, waardoor de ene helft van de strip meer uitzet of krimpt dan de andere. Hierdoor trekt het bimetaal krom en zet een schakelaar om die de verwarmingsketel een seintje geeft om aan of uit te gaan.

De schubben van de denneappel bestaan ook uit twee lagen, maar in dit geval reageren ze op vochtigheid in plaats van temperatuur. En in tegenstelling tot de thermostaat bestaan de helften niet uit verschillende materialen, maar hebben beide lagen dezelfde chemische samenstelling. Wel zijn ze anders gestructureerd.

De cellen in het bimateriaal zijn aan de buitenkant verstevigd met microvezels. Aan de binnenkant van de schub omwikkelen de microvezels de cellen spiraalsgewijs, waardoor de cellen nagenoeg niet kunnen vervormen. De cellen aan de buitenkant van de schub zijn in de breedte omwonden door de microvezels. Hierdoor kan de cel niet in de breedte, maar wel in de lengte vervormen.

Als de vochtigheid stijgt, nemen de cellen water op. De cellen aan de buitenkant zwellen hierdoor in de lengte op en worden langer, terwijl de binnenkant van de schub nagenoeg niet vervormt. Zo wordt de schub tegen de kegel gedrukt en sluit de denneappel zich. Bij een lage vochtigheid krimpt de buitenkant en gaan de schubben juist open. Omdat de volwassen denneappel uit dood materiaal bestaat, is het openen en sluiten van de schubben een passief proces dat geen energie kost. Het mechaniek blijft werken, ook als de zaden allang zijn verspreid. Dat heeft op zich geen nut, behalve voor de boswachter, maar het kost ook niets.

De denneappel was de inspiratiebron voor slimme ventilatie van gebouwen. Hiertoe werd een plaatje van vochtgevoelig bimateriaal gecreëerd dat dienst doet als afsluiting van een ventilatieopening in de gevel van een gebouw. Als de lucht in het gebouw vochtiger is ten opzichte van de buitenlucht, wordt de ontluchting geopend. Is de lucht binnen droger, dan sluit de ontluchting zich.

Ook voor ventilerend textiel wordt naar de denneappel gekeken. Deze stof is helemaal bedekt met minuscule flapjes van bimateriaal. Als iemand die kleding van dit materiaal draagt warm en zweterig is, openen de flapjes zich om koele lucht binnen te laten. Hoewel de gebruikte bimaterialen nog niet, zoals de denneappel, heel slim uit slechts één type materiaal bestaan, verbruiken de systemen net als het natuurlijke voorbeeld geen energie.

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 6 januari 2017

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84