bıyomımıcry concept as a new vısıon to energy
Transkript
bıyomımıcry concept as a new vısıon to energy
ULIBTK'13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 9-12 Eylül 2013, SAMSUN ENERJİYE FARKLI BİR BAKIŞ AÇISI OLARAK BİYOMİMİKRİ KAVRAMI Mehmet Ali KALLİOĞLU, Hakan KARAKAYA ve Aydın DURMUŞ Batman Üniversitesi Teknoloji Fakültesi 72060 Merkez, Batman mehmetali.kallioglu@batman.edu.tr;hakan.karakaya@batman.edu.tr;aydin.durmus@batman.edu.tr Özet: Günümüzde fosil enerji kaynaklarının azalması ve enerjiye duyulan ihtiyaçların artmasından dolayı insanlığın enerjiyi etkin ve verimli bir şekilde kullanmaya zorlamaktadır. Bununla birlikte zamanla artan enerji tüketimi beraberinde atmosferdeki sera gazı ve zararlı gazların oluşumunun artmasına ve doğal afetlere neden olarak çevre sorunlarını giderek çözülemez duruma getirmektedir. Biyomimikri doğadaki modelleri inceleyip bunları taklit ederek veya bunlardan ilham alarak insanların problemlerine çözüm getirmeyi amaçlayan yeni bilim dallarından biridir. Doğadan gözlem alınarak yapılan deneylerde görülmüş ki doğanın enerji alanında ki verimliliğini en etkin şekilde kullanabilmesi ve bunu çevreye zarar vermeden yapabilmesidir. Bu bilim dalı ile gelecekte kullanılacak enerji modellemesi yöntemlerinde farklı bir akış açısını yakalanmasını sağlamaktadır. Anahtar Kelimler: Temiz enerji, İnovasyon, Taklit BIYOMIMICRY CONCEPT AS A NEW VISION TO ENERGY Abstract: Today, because of the increasing needs for energy and the reduction of fossil energy sources force humanity to efficient way to use energy efficiently. However, over time, along with increased energy consumption and an increase in the formation of harmful gases into the atmosphere of greenhouse gases and the environmental problems caused by natural disasters, gradually turns environment into non-soluble situation. Biomimicry examines models of nature imitating them or inspired by them is one of the new science which aims to bring the solution to the problems of the people. Seen in the observation that the nature of the experiments on the nature of the field of energy efficiency is the most effective way to use and able to do it without harming the environment. This branch of science will be used in the future with the capture of energy modeling methods provides a different angle of the flow. Keywords: Clean Energy, Innovation, Imitation kaynaklarıdır Bunlar genelde, petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil yakıtlardır. 1.GİRİŞ Enerji iş yapma kapasitesi olarak tanımı yapılmaktadır ve farklı formlarda karşımıza çıkmaktadır: ısı enerjisi, ışık (radyant enerji), mekanik enerji, elektrik enerjisi, kimyasal enerji ve nükleer enerji gibi. Enerji kaynakları çoğunlukla iki grup altında topyalabiliriz: yenilenebilir ve tükenebilir (veya yenilenemeyen). Yenilenebilir enerji, pratik olarak limitisiz varsayılan, devamlı ve sürekli kullanılabilen enerjidir. Örneğin güneş enerjisi, güneşten gelir ve elektriğe veya ısı enerjisine dönüştürülebilir Tükenebilir enerji ise, kullanılan ve fakat kısa zaman aralığında yeniden oluşmayan enerji olarak tanımlanır ve zamanla tükenmesi muhtemel enerji 1621 Günümüzde dünya nüfusunun 7 milyara ulaşmış olması ve buna bağlı olarak enerji ihtiyacındaki yükseliş, insanlığı enerjiyi verimli kullanmayı zorlamaktadır. Doğadan gözlem alınarak yapılan deneylerde görülmüş ki doğanın enerji alanında ki verimliliğini en etkin şekilde kullanabilmesi ve bunu çevreye zarar vermeden yapabilmesidir. Bu gözlemler neticesinde insanların doğadaki modelleri inceleyip, sonra da bu tasarımları taklit ederek veya bunlardan ilham alarak yaptıkları maddelerin, aletlerin, mekanizma ve sistemlerin tümünü ifade etmektedir. Biyomimikri ya da biyotaklit ULIBTK'13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 9-12 Eylül 2013, SAMSUN sözcükleri, Eski Yunanca yaşam ve taklit (benzetme) anlamına gelen sözcüklerin birleştirilmesi ile oluşturulmuş. Türkçeye biyomimikri (biyotaklit) olarak girmiş olan sözcüğün bilim alanında biyonik ya da biyognosis gibi kullanımları da vardır. İnsan yapısı, sistemler kimi zaman arızalanabiliyor; hatta ilgili sistemin topyekun çöktüğü zamanlar oluyor. Teknik sorunlar bir yana; ekonominin krizlerini bu durumun en belirgin örnekleri arasında sayabiliriz. Hâlbuki Dünyanın kendisi yaklaşık 3,8 milyar yıldır, deneme ve yanılma yoluyla kendi canlı yaşamını ve süreçlerini iyileştirip geliştiriyor; Dünya küresi üzerinde var olan malzemeleri sürekliliği sağlayacak biçimde değiştiriyor. Dünyayı yakından ve derinlemesine incelediğimizde; ondan öğrenebileceğimiz pek çok şey olduğunu görüyoruz. Bizim problem olarak gördüğümüz pek çok konuyu, doğanın kendisinin çoktan çözmüş olduğunu fark ederek şaşırıyoruz. Mevcut var olan fosil yakıt kaynaklarının zamanla tükenecek olması ve enerji üretimi sırasında doğaya sülfür, azot oksitler gibi bazı zararlı kimyasalları verdiği zarar da düşünüldüğünde, doğadan ilham alınarak yapılacak tasarımların gün geçtikçe artması beklenmektedir. Biyomimikri tasarımlarının en az malzeme ve en az enerji ile en fazla verim almaları, kendi kendilerini onarma özellikleri, geridönüşümlü ve doğa dostu olmaları, sessiz çalışmaları, estetik yapıları, dayanıklı, esnek ve uzun ömürlü olmaları bakımından yeniliğin ve verimliğinin önplanda tutulduğu birçok örnekte görmek mümkündür bu doğadaki tasarımlar teknolojik çalışmalara örnek teşkil etmektedir örneğin nanoteknoloji, robot teknolojisi, yapay zekâ, tıp endüstrisi ve askeri donanım gibi alanlarda kullanılmaktadır. 2. TARİHSEL GELİŞİM İlk insanların hayvanları gözlemleyip onların avlanmalarını, barınmalrını, hayatta kalma davranışlarını taklit ettikleri görülmektedir. Doğaya bakarak buluşlar yapmaya çalışanlar arasında ilk akla gelen, hiç kuşkusuz Rönesans’ın çok yönlü dâhisi Leonardo da Vinci’dir (1452- 1519). Kendi çağında uygulanmamış olmakla birlikte Vinci’nin uçan makinesi doğanın (kuşların) izlenmesi sonucu tasarlanan ilk hava aracı olmasıdır. 1970’li yıllarda bilim sözlüklerine giren biyomimetik kavramı, biyoloji alanı ile teknolojinin eklenmesini öngörüyor. Söz konusu sözlükler biyomimetik sözcüğünü doğal olanların yapay mekanizmalarla 1622 sentezlenmesi amacıyla biyolojik olarak üretilmiş nesne ve malzemelerin oluşum, yapı ve fonksiyonlarının incelenmesi, biyolojik mekanizma ve süreçlerin incelenmesi bilimi olarak tanımlıyor. 1960’ta bilim gündemine giren biyonik terimi ise doğadan kopya edilen bir fonksiyona sahip olan sistemlere ilişkin bilim dalı olarak tanımlanıyor. Biyomimikri teriminin 20. yüzyılın sonlarında resmi bir çalışma alanı kazanmasın başında Janine Benyus geliyor. 1997 yılında yayınladığı “Biyomimikri: Doğadan Esinlenilen İnovasyon” kitabıyla ünlenen Benyus, halen bu konuda çalışan bilim insanları arasında ilk sırayı alıyor. Biyomimikri Enstitüsü’nün kurucusu olan Benyus, dünya çapında tanınmış firmalara doğadan esinlenilmiş inovatif çözümler sunuyor. Doğadan edilinen bilginin insan yapımı nesnelere aktarılmasını araştıran biyolog Janine Benyus (1997), insanlığın birçok alanda Biyomimikri Devrimi’nin yaşandığını öne sürmüş olamkla beraber dahası doğadan öğrenme biçimimizin geçmişteki görsel esinlenmelerden çok farklı olduğunun altını çizmiştir. Benyus, doğanın insan yapımı nesnelerin üretilmesinde ve tasarlanmasında ‘model, ölçü veya kılavuz’ olma niteliklerine dikkat çekmiştir. Bilgisayar destekli araçlar, yöntemler ve düşünce sistemleriyle doğaki oluşumların incelenmesi ve gözlenmesi ile oluşturulan modellerin sonucunda elde edilen bilgiler, insan yapımı ürünlerin tasarımında salt biçimsel esinlenmelerin ötesine geçilmesini olanaklı hale getirmeye başlamıştır. 3. TASARIMSAL SÜREÇ Biyomimikri tasaramısal süreci basit bir başlangıca sahiptir. Yaşadığımız gezegende en az on milyon canlı türünün birbiryle kollektif bir şekilde yaşamaktadır.. Bunlar şimdiye kadar var olmuş canlı türlerin yüzde birinden azını oluşturmaktadır. Gerçek deneyimli bir ArGe laboratuarında yaşıyoruz ve ayrıca laboratuvar sonuçlarında doğayı tahribata uğratacak gelişimler bulunmamaktadır. Yaşadığımız gezegeni en az on milyon farklı mükemmel tasarım ile paylaşmaktayız. Sonuçta; elimizdeki problem ne olursa olsun on milyon canlıdan türünden en az birinin veya birkaçının belirtilen problemin üstesinden gelmiş olması büyük bir ihtimal dahilindedir. Mevcut durumda ortaya çıkan fikirlerin en az yüzde 80’inin elenecek fikirler olması muhtemeldir. Buna rağmen mevcut tasarım şartlarıyla oluşturulmuş fikirler tasarım halkasında başarıyla geçtikleri takdirde fark yaratan listesinde yerlerini alcaklardır. Doğanın kollektif bir şekilde canlıları barındırmasından dolayı başarı ile başarısız birlikte tasarlanmıştır. Bugün dünyada yaşayan ULIBTK'13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 9-12 Eylül 2013, SAMSUN yaklaşık 10 milyon tür, 3.8 milyar boyunca var olmuş türlerin yüzde 1’inden de azını oluşturmaktadır. Başka bir deyişle tasarımların yüzde 99’undan fazlası başarısız olmuş. Kalanlar ise en zor şartlar ile mücadele edebilen, toplam beş kitlesel yok oluş sonucunda hayattta kalıp mücadeleyi sürdürebilen ve mükemmele yaklaşmış canlı türleridir. Tasarım ve inovasyon günümüzde hayatın her alanında öne çıkan kavramlar. Ev eşyalarından giysilere, mimariden teknolojiye ihtiyaç duyduğumuz bir hizmeti alırken çok sık duyar olduk bu kavramları. Her ikisi de tercih ettiğimiz ürünlerde fonksiyonellik, yenilik, yaratıcılık, görsellik gibi konularda belirleyici olmaktadır. Biyomimikri tasarımında bulunmak için altı temel basamak sürecinden geçilerek optimum düzeydeki verimliğin kazanılması sağlanmaktadır Verilen bu özelliklere sadık kalınarak biyomimikri tasarımından istenilen doğrultuda verim elde edilebileceği savunulmuştur. 4. VERİMLİLİK ÖRNEKLERİ 21.yüzyılın daha başlangıcında küresel iklim değişikliğinin hissedilebilir sonuçları ve geri dönülmez dönemece girilmesiyle doğadaki mevcut çözümlerin izinden gitmek gerektiği güngeçtikçe anşalılmaktadır. Sadece insan değil doğadaki tüm türler üretim, dağıtım, ısıtma/soğutma, ulaşım gibi temel fonksiyonları yerine getirmek zorunda. Ama insan dışındaki diğer canlılar bu fonksiyonları yerine getirirken yaşamı besliyor ve yaşam döngüsünden birşeyler koparmıyor. Hiçbir canlı türü kendi yiyeceğini (dolayısıyla kendini) zehirlemiyor, soluduğu havayı ve yüzdüğü denizi kirletmemektedir. Bu doğrultuda verilen tasarım örneklerinde görülecektir ki insanoğlunun doğadan daha öğreneceği çok şey bulunmaktadır. Tablo 1. Biyomimikri Tasarım Süreci 4.1 Termit Yuvasindan Doğal Klima Örneği Tanımlama ↓ Analiz etme ↓ Gözlemleme ↓ Seçme ↓ Uygulama ↓ Değerlendirme Janine Benyus, “Biomimicry: Inspired from the Nature” adlı kitabında doğanın dokuz temel kanunun şu şekilde tanımlıyor; 1) Güneş ışığında canlanır (güneş altında çalışır), 2) Enerjiyi yalnızca ihtiyacı kadar kullanır, 3) Doğanın her zerresinde fonksiyon-şekil uyumu vardır (şekiller fonksiyonlara göre biçimlenmiştir), 4) Her şeyin geri dönüşümünü yapar, 5) İşbirliğini ödüllendirir, 6) Çeşitliliğe imkan verir, 7) Lokal uzmanlık gerektirir (her bölgede o koşullara en iyi uyum sağlayanlar bulunur), 8) Kendi aşırılıklarını engeller, 9) Gücü maximum verimle kullanır. 1623 Termit kolonisi yuvasını sürekli aynı ısıda kalacak şekilde inşa etmek zorundadır çünkü çiftçi termitler, yemek için mantar yetiştirir ve ısının sapması durumunda tüm mahsulü kaybeder. Dışarıdaki sıcaklık ne olursa olsun yuvanın içi tam belirli derecedeki sabit ısıya sahip olmalı. Termit kolonisi yuvanın ısısını sabitlemek için pahalı ve çevreye zararlı klima üniteleri kullanmaz. Yuvanın içine havalandırma kanalları döşer. Bu sistem gecenin soğunu depolayarak günün kavurucu sıcağını hafifletmek için kullanır. Tepedeki vanalar zeminden ısınarak yükselen sıcak havanın dışarı atılmasını sağlar. Hava kılcal kanal sistemi boyunca ilerledikçe serinler. Netice de; devamlı serin ve oksijence zengin hava, dakikada yaklaşık 12 cm kadar hızla içeriye girer ve oksijen içeri alınıp karbondioksit dışarı verilir içerideki sıcaklık ise devamlı 31 °C de kalır. Termit yuvaları minimum enerji ile çalışan havalandırma sistemden ilham alınarak Zimbabwe’nin Harare şehrindeki tasarlanan iş merkezi ‘Eastgate Building’ termit yuvasındaki havalandırma prensipleri ile inşa edildi. Ağa Han Ödülü kazanan, mimar Mick Pierce tasarımı bina benzer büyüklükte bir yapıya göre yüzde 65 daha az enerji kullanıyor. Bu sayede ‘Eastgate Building’ açılışını takip eden ilk beş yıl içinde 3.5 milyon dolarlık tasarruf elde etti. Artan küresek ısınma ve yaz aylarında ki enerji krizleri göz önüne alındığında termit yuvaları bina enerji verimliği açısından örnek teşkil etmektedir. ULIBTK'13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 9-12 Eylül 2013, SAMSUN 4.2 Sarı Kutubalığından Otomobil Teknolojisine Sarı Kutubalığı (Ostracion cubicus) Pasifik Okyanusu ve Hint Okyanusu gibi güney doğu Atlantik Okyanusu boyunca mercan kayalıkları arasında yaşamaktadır ayrıca uzunluğu 45 cm kadar ulaşmaktadır. Otomobil sektörününde aerodinamik yapıyı düzenleyerek sürtünme katsıyısını en aza indirmek için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalardan biri de Mercedes Benz in bionic araba konseptiyle oluşturulup elde edilmiştir Sarı kutu balığından ilham alınarak oluşturulmuş arabanın aerodinamik tasarımında mevcut arabalarda bulunan ortalama 0.3 lük hava sürtünme direnç katsayısı (Cd) 0.195’e düşmüştür. Hava direncinin azalmasının sonucunda yakıt tüketimi 100 km de ortalama 4.3 lt sarfiyat değerinde olarak son derece ekonomik bir araba tasarlanmıştır. Şekil 2. Sarı Kutubalığından Biyonic car’ın tasarım sürecine. 4.3 Kambur Balinadan Rüzgar Türbinine Kambur balinaların erişkinleri genellikle 14.6-15.2 m uzunluğunda 30-40 ton ağırlığında olan devasa canlılardır. Bu devasa cüsselerine rağmen balinalar arasında en çevik ve akrobatik türlerden biri olarak tanımlanırlar. Bu balinaların beslenme, avlanma ve üreme için oldukça büyük ve geniş bir alan kullanıyor olması büyük mesafeleri almasında yüzgeçlerinin suyun kaldırma kuvvetinden daha fazla yararlanmakta ve sürüklenme kuvvetinin en aza indirilmesi önemli bir yer tutmaktadır. Şekil 1. CFD analizi ile hava direnç katsayısının belirlenmesi İlerleyen araştırmalarda balığın vücut yapısı dikkatle incelendiğinde, derisinin sayısız altıgene benzer kemiksi plakalarla kaplı olduğu görüldü. Bu da balığa en düşük ağırlıkta en dayanaklı vücut yapısı özelliğini sağlıyordu bu kapsamdan bu fikirden yola çıkılarak yapılan araba taslaklarında, araba kapılarının dış panellerinde %40 daha fazla sağlamlık elde edildi. Bununla beraber arabanın bütün yapısı bu tekniğe dayanılarak üretildiğinde, çarpışma güvenliği hiç azalmamasına karşın araç % 30 hafiflemiştir. Şekil 3. CFD analizi ile ile soldaki tasarlanan modelin diğer modele göre kanadın önündeki tümsekli kanallar rüzgar akışını ayırarak düz zemindeki ivmeyi artırıyor böylece kanadın genişliği boyunca hava akımını engelliyor. Hava akışının kanallar içinde saklanmasıyla daha fazla rüzgar yakalanıyor. Böylece düşük hızlarda bile enerji üretimi mümkün hale geliyor. 2008 yılında Kanada Rüzgar Enerjisi Enstitüsünde (WeICan) de bu balinalardan ilham alınarak yapılan çalışmalarda 5 metrelik tüberküllü kanatlara sahip olan bir rüzgar türbinin maksimum güce 12.5 m/s hızda ulaştığı oysa daha önce kullanılan klasik kanatların bu hıza ancak 15 m/s hızda ulaşabildiği görüldü. Bu da yıllık olarak % 20 yakın bir verimlilik artışına denk gelmektedir. Ayrıca sonuçlardan % 32 daha az sürtünme kuvvetin (D) yanısıra % 8 daha fazla kaldırma kuuveti (L) elde edilmiştir. 1624 ULIBTK'13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 9-12 Eylül 2013, SAMSUN Benyus, Janine. Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York: William Morrow and Company, Inc., 1997. Erdoğan, Gönenç Sorguç, Hesaplamalı Modeller Aracılığıyla Mimari Ve Doğal Biçim Türetim İlkelerini İlişkilendirmek, Metu- Jfa 2011/2 Lidwell vd,Universal Principles of Design: 100 ways to Enhance Usability, Influence Perception, Increase Appeal, Make Better Design Decisions, and Teach through Design. Rockport Publishers, Inc., 2003. Mueller,Tom, Biomimetics: Design by Nature, http://ngm.nationalgeographic.com/2008/04/biomimetics /tom-mueller-text/1 Şekil 4. En üst WeICan testlerde kullanılan tüberküllü kanadın ürettiği elektrik enerjisinin klasik modelden daha fazla olduğu görülmektedir. Neil Canter, Humpback whales inspire new wind turbine technology,Tribology & Librication Tecnology, Aralık,2008. 5. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME Verilen örneklerde görülmüştür ki enerjinin daha nasıl verimli kullanırız sorusuna doğadan bakıp ilham alarak mevcut şartlarda kullandığımız ürünlerden daha fazla verim elde etmiş olacağız. Bu bağlamda insanoğlu bu gezegeni paylaştığı diğer türleri anlayarak fosil yakıtlar üzerine kurulu olmayan ve çöp üretmeyen çevreyle dost, tüketim toplumundan uzak farklı bir medeniyet yaratabilir. Gelecek bin yıl, geçtiğimiz bin yıldan çok farklı olabilir. Biyomimikri disiplininin gelişim yanlısı olması teori ile sınırlı kalmayan, uygulanabilir bir disiplin olmasını sağlaması sayesinde. Tüketime giden süreçleri yeniden tanımlamak ve doğadaki gibi, doğayı besleyen süreçler halinde yeniden düzenlemesini katkı yaparak ihtiyaç duyduğumuz doğanın korunmasına katkı sağlamış olabiliriz. KAYNAKLAR Afton Chemical Team (2005), “Raising the Bar for Wind Turbine Lubrication,” TLT, 61 (10), pp. 24–28. Arhon Zeynep, İş Dünyası Gelecek Stratejilerine Biyomikri İle Yön Veriyor, Platin Dergisi, Mart,2012 Altun, Şafak, Doğanın İnovasyonu, Yayınevi, 2011. Banger,Gürcan, Biomimikri yada http://www.duyguguncesi.net/?p=6947 Ankara, Elma Biyomimetik 1625 Steven, Paws, Mechanical World of Nature and People. W. W. Norton & Company, 1998. National Geopraphic, Nature Yields New Ideas for Energy and Efficiency, http://environment.nationalgeographic.com/environment/ energy/great-energy-challenge/, Nisan 2012 Yahya, Harun, Biyomimetik Teknoloji Doğayı Taklit Ediyor. Araştırma Yayıncılık, Ocak 2006 Zeytin Sakin, Yeni Malzemeler ve Üretim Yöntemleri, Biomimetik-1, Ders notları Whıtehead, A. N. (1964) The Concept of Cambridge University Press, Cambridge. Nature,