Dynamiczny rozwój przemysłu powoduje wzrost wymagań rynku, narzuca dążenie do wytwarzania nowych produktów, bardziej sprawnych, niezawodnych, tańszych i bardziej ekonomicznych. Inżynierowie coraz częściej szukają inspiracji do rozwiązywania problemów technicznych i technologicznych w otaczającym nas środowisku naturalnym. 

Powiązanie rozwiązań spotykanych w przyrodzie z techniką tworzy dziedzina wiedzy nazywana „bioniką”. W artykule przedstawiono i scharakteryzowano wybrane zastosowania osiągnięć „bioniki” w technice izolacyjnej oraz określono ogólne kierunki dalszych prac w tym zakresie.

Bionika, a właściwie biomimetyka (gr. bios − życie i mimesis – naśladować) jest to nauka zajmująca się podpatrywaniem rozwiązań w naturze i adaptowaniem ich do potrzeb praktycznych [1, 7]. Podstawowe dziedziny nauk przyrodniczych, które są przedmiotem badań bionicznych, to zoologia oraz poszczególne jej działy np. malakologia, entomologia, ichtiologia, ornitologia, herpetologia i wiele innych. Drugą obszerną dziedziną jest botanika, a zwłaszcza dendrologia. Bionika wykorzystuje również nauki chemiczne, zwłaszcza chemię organiczną. Prowadzone są także badania innych dziedzin nauk przyrodniczych, jak chociażby paleontologii. Wyniki badań bionicznych znajdują dzisiaj zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach (rys. 1.) [2, 6].

Rys.1. Dziedziny wiedzy, z których korzysta bionika i dziedziny, które wykorzystują wyniki badań bionicznych [6]

Prekursorem bioniki był Leonardo da Vinci, słynny artysta żyjący na przełomie XV i XVI wieku, który jako pierwszy naukowiec wykorzystał naturę jako wzorzec w swoich technicznych eksperymentach. Już w młodości fascynowała go przyroda i spędzał wiele czasu na jej obserwowaniu. Około 25 lat swego życia poświęcił na studia nad lotem ptaków, budował różne latające maszyny, które jednak nie zadziałały. Około 400 lat później Otto Lilienthal zbudował obiekt latający, którym przeleciał 250 metrów. Był pierwszym człowiekiem, który wzniósł się w powietrze [6].

Niezwykłe bogactwo i doskonałość występujących w przyrodzie rozwiązań, jak również zbieżność reguł i zasad obowiązujących w systemach biologicznych i systemach technicznych, powodują, że natura staje się niewyczerpanym źródłem inspiracji do nowych, niekonwencjonalnych rozwiązań w inżynierii materiałowej. Powstają nowe i biologicznie inspirowane technologie, materiały i konstrukcje oraz nowe wielofunkcyjne materiały, nanomateriały i nanokompozyty biomimetyczne i bioniczne oraz nowe wielofunkcyjne kompozyty i nanokompozy strukturalne, warstwy i struktury bioniczne [2]

Termoizlacje − charakterystyka

Przepływ ciepła jest w wielu przypadkach zjawiskiem niepożądanym. Powoduje straty energii oraz zmniejsza sprawność procesów wykorzystujących ciepło. Przepływ ciepła zawsze odbywa się z ośrodka cieplejszego do ośrodka chłodniejszego. Jego całkowite wyeliminowanie pomiędzy ośrodkami o różnych temperaturach jest niemożliwe, ale można zmniejszyć jego intensywność. Aby zmniejszyć strumień gęstości ciepła przepływającego z jednego ciała do drugiego, stosuje się techniki izolacyjne. W naszych warunkach klimatycznych izolacje termiczne ciepłochronne i zimnochronne stanowią nieodłączny element w procesie powstawania i modernizacji urządzeń przemysłowych, zbiorników magazynowych i instalacji energetycznych. Wynika to z faktu, że spełniają one bardzo ważną rolę w zabezpieczaniu warunków komfortu cieplnego w miejscu zamieszkania, utrzymują niezbędną temperaturę dla zapewnienia należytego przebiegu procesu technologicznego zachodzącego w instalacjach przemysłowych i urządzeniach energetycznych oraz stanowią ochronę energii cieplnej, zabezpieczając ją przed stratami ciepła na etapie jego wytwarzania i przesyłu na odległość. Każdy materiał izolacyjny ma określone właściwości, które decydują o jego zastosowaniu, tzw. cechy techniczne materiału. Dzieli się je na trzy grupy: fizyczne (m.in. przewodność cieplna, przesiąkliwość, wilgotność, porowatość, gęstość, ogniotrwałość, palność), chemiczne (skład, odporność na korozję), mechaniczne (twardość, wytrzymałość na ściskanie i zginanie, sprężystość, plastyczność, kruchość) [3].

Najważniejszym czynnikiem decydującym o doborze izolacji jest współczynnik przewodzenia ciepła. Struktura zastosowanego materiału do budowy termoizolacji ma istotny wpływ na rodzaj mechanizmu przepływu ciepła oraz wielkość przepływającego strumienia ciepła. Dobry materiał izolacyjny charakteryzuje się jak najmniejszą jego wartością. W praktyce zastosowanie materiału o niższej przewodności przekłada się na mniejszą grubość izolacji, co wpływa korzystnie na koszty jej wykonania. Materiały stosowane do izolacji cieplnej ze względu na budowę dzielimy na: włókniste, piankowe i ziarniste. Każdy rodzaj charakteryzuje się innym mechanizmem przepływu ciepła, właściwościami, porowatością i współczynnikiem przewodzenia ciepła [3]. Materiał izolacyjny powinien być odporny na szybkie zmiany temperatury oraz na działanie wody. Jego właściwości cieplne powinny być stabilne w czasie i niezależne od położenia geografi cznego. Bardzo ważne jest, aby materiał był odporny na działanie czynników chemicznych i biologicznych, mało nasiąkliwy i niepalny. Przy wyborze izolacji duże znaczenie ma również łatwość montażu, koszt wykonania oraz możliwość powtórnego użycia [3].

Anoalogia w budowie tworzyw naturalnych i sztucznych

Rys. 2. Tworzywa naturalne: a) tkanka roślinna (przekrój łodygi); b) budowa wapiennej muszli głowonoga, mątwy (przekrój) [6]

Rys. 3. Piankowa struktura tkanki roślinnej (przekrój) [2]

Rys. 4. Elementy warstwowe z rdzeniem pełnym lub niepełnym [4]

Rys.5. Płyta warstwowa z rdzeniem z wełny mineralnej i okładzinami z lekko profi lowanych blach metalowych [8]

(...)

Materiały piankowe

(...)

Materiały włókniste

Przyglądając się budowie strukturalnej mięśnia w organizmach żywych (rys. 12.) oraz naturalnie występującej wełny owczej (rys. 13.), która składa się z sieci wzajemnie przenikających się włókien, nie sposób nie dostrzec analogii w budowie izolacyjnych materiałów włóknistych, złożonych z równolegle ułożonych włókien, między którymi przewijają się szczeliny. Najbardziej rozpowszechnionym izolacyjnym materiałem włóknistym jest wełna mineralna (rys. 14.). Oprócz dobrych właściwości termicznych, sprawdza się również jako izolacja akustyczna i przeciwogniowa. Rozróżniamy wełnę skalną i szklaną. Przepływ strumienia ciepła odbywa się prostopadle przez włókna i powstaje na skutek przewodzenia ciepła. W całkowitym rozrachunku strumień ten jest nieduży, jednak zwiększa się przy nacisku, obciążeniu izolacji. Dużo większe znaczenie ma przewodzenie wewnątrz włókien. Zwiększając liczbę włókien, można polepszyć cechy izolacyjne materiału [3].

Rys. 13. Wełna owcza (struktura włóknista) [11]

Rys. 14. Wełna mineralna – przekrój przez blok [10]

Przy przepływie ciepła przez szczeliny, bierze się pod uwagę przewodzenie przez składnik gazowy, a dokładniej sumę oporów każdej szczeliny. Oprócz wspomnianych mechanizmów przepływu ciepła występuje również konwekcją gazu znajdującego się pomiędzy włóknami (przepływ ten jest na tyle mały, że można go pominąć) oraz promieniowanie, które obejmuje emisję, absorpcję i rozpraszanie a wpływ na ich wielkość ma liczba włókien, gęstość pozorna i emisyjność materiału włókien [3].

Rys. 15. Wełna mineralna: a) otulina, b) mata jednostronnie pokryta folią aluminiową [10]

Podsumowanie Dotychczasowe osiągnięcia bioniki w wielu obszarach techniki są bardzo obiecujące i potwierdzone badaniami, prototypami oraz wdrożeniami w pełni dopracowanych rozwiązań. Jednakże nadal naturalne kompozyty występujące w przyrodzie wykazują znacznie większą złożoność strukturalną, niż materiały stworzone przez człowieka. Ewoluując od milionów lat pod presją ze strony środowiska ożywionego i nieożywionego, wykazują się obecnie niezwykłą architekturą oraz imponującymi właściwościami, pomimo iż wykonane są ze stosunkowo słabych materiałów. Dzięki inżynierii bionicznej jesteśmy o krok bliżej do wytworzenia właśnie takich materiałów, co w przyszłości umożliwi ich produkcję i powszechne użycie. Należy również spodziewać się intensyfi kacji badań w zakresie: ograniczenia emisji CO₂, niekonwencjonalnych źródeł energii, rozwoju systemów informatycznych oraz inżynierii biomedycznej.

 Dr inż. Beata GRABOWSKA
– Zakład Podstaw Konstrukcji
i Maszyn Przepływowych,
Wydział Mechaniczno-Energetyczny,
Politechnika Wrocławska

LITERATURA

[1] AYRE M.: Biomimicry – A Review. 2004. ESTEC.

[2] BENYUS J.: Innovation inspired by nature. Biomimicry. Perennial. New York. 2002.

[3] GÓRZYŃSKI J.: Przemysłowe izolacje cieplne. Wydawnictwo Sorus. Poznań. 1996.

[4] HOP T.: Konstrukcje warstwowe. Arkady. Warszawa. 1980.

[5] RAJCZYK M., STACHECKI B.: Współczesne materiały kompozytowe, wybrane kierunki rozwoju nowych technologii. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. 2(12). 2013.

[6] SAMEK A.: Bionika wiedza przyrodnicza dla inżynierów. Wydawnictwo AGH. Kraków. 2010.

[7] https://biomimicry.org

[8] http://www.balex.eu/plyty-warstwowe/rodzaje-plyt

[9] http://www.aps-docieplenia.pl

[10] https://wełna-mineralna.pl

[11] http://www.rsbudowa.com

[12] http://zdrowie.gazeta.pl/Zdrowie/7,140283,19721415,uklad-miesniowy-budowafunkcje-i-najczestsze-schorzenia.html