ביומימטיקה - ללמוד מהטבע

אחת הדרכים לשמור על הטבע היא פשוט ללמוד ממנו. בעלי חיים וצמחים ששרדו מיליארדי שנים הם מהנדסים גאוניים. אימוץ הפטנטים שלהם מאפשר לנו לחסוך אנרגיה וליצור מבנים ידידותיים

ביומימטיקה הוא מושג שמשמעותו חיקוי של הטבע (ביו – חיים, מימיזיס – חיקוי). זהו תחום ידע חדש שחוקר את “רעיונותיו” המוצלחים ביותר של הטבע ומנסה לחקותם וליישמם בעיצוב מוצרים ובתכנון תהליכים לטובת האדם. דוגמאות לביומימטיקה קיימות כבר מזמן, כמו צורתם של סירות ומטוסים בעלי מבנה הידרודינמי או אירודינמי (בהתאמה), שמזכיר את מבנה גופם של דגים וציפורים. המבנה האופייני מצמצם את חיכוך הגוף עם התווך (מדיום) שבו הם נעים, מים או אוויר, ומאפשר מהירות תנועה רבה יותר. בשנים האחרונות, עם עליית המודעות לחשיבותו של עיצוב בר קיימא, כזה שהולך עם הטבע ולא נגדו, הביומימטיקה נכנסת יותר ויותר לתכנון אדריכלי ותעשייתי. למידת מבנה העלה על מנת לייצר תא סולרי טוב יותר היא דוגמה לשימוש בטבע כמודל. בלב המחקר נמצא הרעיון שהטבע כבר פתר בעיות רבות שאנו עדיין נאבקים בהן. חיות, צמחים וחד תאיים הם מהנדסים מוכשרים במיוחד והראיות נמצאות בכל מקום – הביטו על קורי העכביש בפינת החדר או על השממית שמתהלכת בחופשיות על התקרה. הביומימטיקה יוצאת מנקודת הנחה שיצורים ששרדו 3.8 מיליארד שנים של מחקר ופיתוח הם סיפור הצלחה, מאובנים לעומת זאת, הם כישלון.
 

^{תל של טרמיטים באפריקה (צילום: Rob Inh00d) | מרכז איסטגייט בהאררה, זימבבווה (צילום:Gary Benbridge)}

קירור פאסיבי – ללמוד מהטרמיטים
בניין מרכז איסטגייט בעיר האררה שבזימבבווה תוכנן כחיקוי לאופן שבו טרמיטים באפריקה בונים את תליהם הגבוהים. תלי הטרמיטים מאופיינים בטמפרטורה קבועה, שמתאפשרת הודות לאשנבים סגורים או פתוחים שמפוזרים בכל המבנה. הפתחים מאפשרים שליטה על תנועת זרמי האוויר: אוויר קריר נמשך מפתחים נמוכים והאוויר החם נפלט החוצה דרך ארובות. מרכז איסטגייט בהאררה הוא בניין המשרדים ומרכז הקניות הגדול ביותר בזימבבווה והוא נבנה על פי עקרונות של אדריכלות ירוקה. התכנון משתמש בשיטה של הטרמיטים ליצירת סירקולציית אוויר והתוצאה היא שימוש ב-10% בלבד מהאנרגיה שנצרכת בבניין רגיל. האוויר שנכנס למבנה מחלקו התחתון מקורר או מחומם על ידי מאסת הבטון של המבנה לפני שהוא יוצא בחזרה החוצה דרך ארובה. מרכז איסטגייט כולל שני מבנים שביניהם שטח פתוח מחופה בזכוכית שמאפשר מעבר של בריזה טבעית. את המבנה תכנן האדריכל מיק פירס בשיתוף מהדסי חברת ארופ.
 

^{עלה לוטוס (צילום: tanakawho) | אפקט הלוטוס (צילום Alio Lealio)}

אפקט הלוטוס
בתעשייה משתמשים לעתים במושג “סופר הידרופוביות” כאשר מתארים חומר שדוחה מים בצורה מושלמת. למעשה מדובר בחיקוי משטח עלי הלוטוס. ללוטוס יש משמעויות סמליות חשובות בתרבות מזרח אסיה והוא זכה להן לא רק בשל יפי פרחיו, אלא מפני שהוא עולה מתוך הביצה מבלי שתישאר עליו טיפה אחת של בוץ או מים. הדבר מתאפשר בזכות משטח העלה הגבשושי, שגורם לטיפות המים להיאסף לאגלים ובאותו הזמן גם לקחת איתם את הלכלוך, להתגלגל משם ולהותיר עלה נקי. כימאים למדו ליצור חומרים שמחקים את מבנה עלה הלוטוס. בענף הבנייה הפטנט הטבעי הזה מנוצל בצבעים דוחי מים לקירות חוץ ופנים להשגת משטחים עמידים בפני הכתמה. דוגמה לכך היא מותג Lotusan שמגדיר את הצבעים שלו כ“ציפוי שמנקה את עצמו”.
 

^{פוטוסינתזה בטבע (צילום: true2source) | תא פוטו-וולטאי, פועל בכל מצב (צילום:Marieke Kuijjer )}

כמו צמח בר – חיקוי של פוטוסינתזה
צמחים ירוקים משתמשים בכלורופיל, פיגמנט ירוק, כדי להפוך אור שמש, מים ופחמן דו חמצני לפחמימות ולחמצן. פוטוסינטה מלאכותית היא הניסיון לייצר את התהליך הזה באופן מלאכותי. השאיפה היא להגיע ליכולת להשתמש באור השמש כדי לפצל מולקולות של מים למימן וחמצן שישמשו כדלק נקי, וגם כדי להפחית פחמן דו חמצני באטמוספרה. כאשר המים מתפרקים למימן וחמצן, משתחררת אנרגיה שנצברת בתאי דלק מימני. התהליך עשוי להפוך את תאי הדלק לדרך יעילה וזולה לייצור ולאחסון אנרגיה לשימוש ביתי ותעשייתי, ולא פחות חשוב – לצמצם פליטת פחמן דו חמצני. בינתיים, כידוע, אור שמש מנוצל במבנים ירוקים בתאים פוטו-וולטאים לניצול אנרגיה שמסופקת מהיקום בחינם וללא שימוש בכבלים ובעמודי חשמל שמחוברים לתחנת כוח.
 

^{שלד של קקטוס (צילום: HOK) | ביוספרה בטוסקון אריזונה. השלד הייחודי מאפשר בניית חלל גדול מאוד ללא עמודים תומכים (צילום: Ryan Thomas)}

ללמוד מצמחים ומעצמות
צמחים ועצמות “יודעים” לפזר עומסים מכניים בצורה יעילה. למשל, על מנת לפזר עומס בצורה אחידה העצים מוסיפים חומר עצי (wood) למקומות שבהם העומס רב. העצמות מפחיתות את צפיפות החומר היכן שאינו נחוץ וכך יוצרות מבנה קל יותר. סיבי העץ מאורגנים בכיוון העומס כדי להפחית את הלחץ על הענפים. מהנדסים אימצו את המודל ויצרו תוכנות מחשב (כמו CAO ו-SKO) שיודעות כיצד לשפר את חלוקת העומסים בחומרים שעשויים מסיבים.