"Gyre", bedeutet wörtlich Wirbel und wird vor allem in der Meeresbiologie für die Benennung der verschiedenen Meeresströmungen verwendet. Es beschreibt zum Beispiel die Bewegungen in den Ozeanen, mit denen warmes Wasser und kaltes Wasser zirkulieren und so z.B. den Golfstrom bilden.
Dies ist die Inspiration für einen natürlich angetriebenen Zyklus. Der aus Kohlenstoffdioxid den Kohlenstoff entfernt und nur noch Sauerstoff übrig lässt. Ganz nebenbei werden Algen produziert, die als Nahrungsergänzungsmittel gegessen oder als Biomasse in Biogas oder Bioethanol umgewandelt werden können. Und das alles an der Hauswand.
Im Kurs, digitales Experiment, an der HAWK konnte ich diese Idee einbringen:
Bausteine für die Entwicklung
Erste Gedanken für den weiteren Verlauf - Ideenentwicklung -
Facts & Webs
Thematische Übersicht und Sortierung des Inhalts
Assoziationen & Bisoziationen
Methode zur Ideenentwicklung
Core Value
Welche Werte sollen vermittelt und in den Gestaltungsprozess beteiligt sein
Technische Auseinandersetzung
Lichtwege
Zeichnerische Auseinandersetzung mit Lichtlenkung und Lichtdiffusionen.
Entropie
Beschreibende Skizze zur Entwicklung und Wirkung von Entropie am Beispiel von Wasser.
Fragestellung:
1. Kann Sonnenlicht oder künstliches Licht Wasser energetisch anregen, sodass eine Dynamik entsteht, die in einem geschlossenen Kreislauf zu einer Strömung führt?
2. Kann man diese Strömungsgeschwindigkeit berechnen und messen wie lang ein Kreislauf sein muss, sodass ein autoregulierender Zyklus entsteht?
3. Werden Wassermoleküle angeregt und geben diese Regung weiter oder wandern die Moleküle?
4. Kann durch Sonnenenergie ein geschlossener Wasserkreislauf alle 3 Aggregatzustände von Wasser erzeugen? (Entropie)
Zeichnerische Darstellung
Zu Frage 1:
Aus der gut erforschten Solarthermie ist bekannt, dass beheiztes Wasser einen Druck induziert und somit Nachbarmoleküle anregt. Dadurch kommt es zur Zirkulation in einem geschlossenen System. Allerdings wird bei der Solarthermie mit Temperaturen bis zu 150°C gerechnet, das würde für eine Alge den Tod bedeuten. Ergebnisse für niedrigere Temperaturen bekommt man aus der Ökologieforschung zur Gewässerkunde. In Seen kommt es regelmäßig zu einer Vollzirkulation, dabei wird warmes Oberflächenwasser mit kühleren Tiefenwasser durch Wind vermischt. Auch die thermohaline Zirkulation zeigt eine Dichteänderung, durch Wärme und/oder Salinität und damit eine Strömung in großen Ozeansystemen auf.
Frage 1 muss experimentell geklärt werden. (s. Ideenskizze)
Frage 2:
Strömungen und Wasserdruck werden in der Strömungslehre oder auch Strömungsmechanik beschrieben. Die unter der Hydrodynamik zusammengefasst werden. Berechenbar in einem verlustfreien Bezugssystem werden Hydrodynamiken mit der Bernoulli-Gleichung und der Kontinuitätsgleichung. Die Strömung werden durch Sichtbarmachung evaluiert. Am Beispiel eines Rohrs oder Schlauchs wird deutlich, dass die Geschwindigkeit des Wasserdurchflusses mit der Verringerung des Durchmessers zunimmt und gegenteilig bei Vergrößerung des Durchmessers abnimmt. Das Volumen der Masse ändert sich dabei nicht.
Zur Berechnung wird die Erdbeschleunigung (9,81 m/s²) aus dem Höhenunterschied. die Durchflussrate und die Venturi-Kette (Kombination aus Bernoulli-und Kontinuitätsgleichung) genommen. Wobei bei kleinen Systemen die Erdbeschleunigung vernachlässigt wird. Zudem wird noch die Salzkonzentration wichtig, da es sich im folgenden um nährstoffreiches Wasser handeln wird und die Salinität bei den Dichteverhältnissen eine Rolle spielen kann.
Welches Volumen, Geometrie und Länge der Reaktionsräume und damit einhergehende Reaktionsdistanzen zu einem erfolgreichen Zyklus benötigt werden ist mir unbekannt. Bis dato (10.2.22) habe ich keine Forschungsansätze dafür gefunden.
Frage 3:
Ob Wassermoleküle wandern oder nicht wurde vor kurzem eine Forschungsarbeit abgeschlossen. Zu dem Thema des Energietransfers von Wasser forschten das Team um Dr. Yuki Nagata in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Instituts für Polymerforschung, der Universität Tokio, Universität Osaka und der National Chiao Tung University. Sie fanden heraus, dass Wassermoleküle einen "Tanz" aufführen, der schnell zu einem "Gruppentanz" wird. Dieser wird dadurch ausgelöst, dass Wassermoleküle bei Energieeintrag in Rotation gebracht werden (Biegebewegung). Die Rotation überträgt im "Wassernetzwerk" die Energie von einem Molekül zum anderen. Das kann nun auch das besondere Verhalten der Strahlenabsorption von Wasser erklären. Denn Wasser sei sehr effizient darin Strahlungsenergie in Wärme umzusetzen.
Frage 4: (in Arbeit)
Ideenskizze
Mitgedacht ist hier ein Zu- und Ablauf, die in einem U-Bogen an den Enden miteinander verbunden sind. Sodass eine Frontkammer und eine deutlich kühlere Rückkammer entsteht.
Die Frontfläche nimmt die Wärme auf, das Wasser im inneren wärmt sich auf, verliert an Dichte und steigt auf. Dadurch entsteht Druck auf die oberen Wasserschichten, der Wasserdruck erhöht sich. Da die Richtung vorgegeben ist, wird der Druckausgleich durch nachströmendes kühleres Wasser geschehen. Dieses Wasser kommt aus der Rückkammer.
Mit einer bestimmten Länge, wird das energiereichere warme Wasser auf die Rückseite transportiert und somit durch die fehlende Sonneneinstrahlung abgekühlt. Ein Zyklus entsteht.
Wichtig: Die Frontseite und die Rückseite sind mit einer Hohlkammer aus Luft voneinander getrennt, sodass möglichst wenig Wärmeaustausch stattfindet. Zudem kann ein Durchmesserunterschied der beiden Kammern interessant sein, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Catalyse
Bestimmung der Parameter die alle wichtigen Eigenschaften vereinen
Flächennutzung
Ortsbegehung; analysieren der nutzbaren Fläche und der Gestaltungsmöglichkeiten
Bei Gebäuden ist auch aufgrund der Bauordnung darauf zu achten, dass Feuerwehren, sowie Bewohner sicher das Fenster nutzen können. Ein Mindestabstand wird daher mit eingeplant. Darüber hinaus sind Lichteinfallswinkel von essentieller Bedeutung, daher kommen Nord-Ost bis Nord-West Seiten eines Gebäudes nicht in Frage. Was die Gestaltung ebenfalls einschränkt. Über eine funktionale Erweiterung zur Nutzung der kühleren Schattenseite wurde nachgedacht und würde bei Neubauten eher in Frage kommen.
Allerdings wurden aus diesen vermeintlichen Nachteilen ein Gestaltungsprinzip entwickelt. Die Form soll insgesamt einen Kreislauf und organische Verwirbelungen erinnern und die Fenster und Flächen einrahmen.
Als Testobjekt wurde ein standardisiertes Hochhaus modelliert. Die Dimension lässt mehr Möglichkeiten zu. Zudem gibt es genug "Totraum", der genutzt werden kann.
Ein Querschnitt der Gyre PBR (Photobioreactor) Struktur auf der Fassade:
Grasshopper Code:
Gesamtansicht:
Es folgt bald die technische Auseinandersetzung der Aufhängung...