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
[email protected];[email protected];[email protected]
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,