Η βιοφωταύγεια ως στοιχείο εξοικονόμησης ενέργειας και αειφορίας στην αρχιτεκτονική και τους υπαίθριους αστικούς και προαστιακούς χώρους στην ελληνική πόλη

Abstract

Current discourse in architecture and urban design is mostly based in the search for new dynamic and evolutionary forms that correspond to the fluidity of contemporary urban living. To this end multidisciplinary teams have developed several new concepts and technologies that try to mold new ideas that can be incorporated into architectural design, or create digital tools that can predict and eventually reduce energy consumption. Bio-digital architecture is the merger of biological and digital technologies for the application of genetic processes in architectural urban design. Through the simulation of biological systems and the development of new adaptive technologies, the relationship between building functions and human made environments is explored. This research discusses the feasibility of replacing or supporting artificial lighting with transgenic bioluminescent plants in outdoor areas, as a means of minimizing light pollution, reducing energy consumption and de-carbonizing urban and suburban outdoor environments, creating sustainable conditions and enriching the quality of life.A new methodology is formed for selecting and analyzing the lighting output potential of transgenic plants selected for specific climatic conditions of outdoor Greek environments. Existing research data supports the speculation that these plants can be genetically transformed by using bioluminescent bacteria Vibrio fischeri, so that they emit light. This methodology considers local climatic conditions, growth and reduction factors, as well as a formula for estimating the plants’ luminous output by using light measurements of Vibrio fischeri cultures. Through these data and experiments, the luminous yield of these plants was found to be directly proportional to the size of their foliage. In order to evaluate their luminous efficiency a luminous leaf was modeled and simulated with the luminescent properties of the experimental bacterial culture and then correlated to the number of plant leaves. A luminous profile was then created that recorded light output over the life of the plant and a reduction factor (RF) was calculated depending on: a) the plant's resistance to disease and failure, b) its foliage amount and (c) the coefficient of proportion of the number of natural leaves to luminescent ones.Results show that transgenic plants in medium growth can emit a median luminous flux of up to 57 lm, a value that can definitely support low lighting requirements, as dark areas, parks, pedestrian roads, suburban squares etc. From the lighting measurements and calculations performed in this research, the light output of the transgenic bioluminescent plants for a typical road with 5m width was found equal to 2lx, a sufficient value for a P6 road class, according to European standards. Although the scope of this research does not examine in detail the potential risks to the use of transgenic plants for the ecosystem, it is obvious that further research needs to be done to assess the environmental risk before introducing such plants into urban or suburban environments. The feasibility of such research is necessary, as the use of bio-luminescent plants can actually contribute to the reduction of energy consumption, concerning only the lighting criterium, thus creating an enormous opportunity for a new state-of- the-art market and research that could potentially minimize CO2 emissions and light pollution, improve urban and suburban microclimate, mitigate the effects of climate change, as well as provide an alternative means of lighting affecting both outdoor lighting design and landscape planning in suburban and urban settings.

Οι σύγχρονες τάσεις στην αρχιτεκτονική και τον αστικό σχεδιασμό βασίζονται κυρίως στην αναζήτηση νέων δυναμικών και εξελικτικών μορφών, που αντιστοιχούν στη ρευστότητα της σύγχρονης αστικής ζωής και δημιουργούν συνθήκες αειφορίας στο περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό διεπιστημονικές ομάδες αναπτύσσουν νέες έννοιες και τεχνολογίες που μπορούν να ενσωματωθούν στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό ή να μετατραπούν σε ψηφιακά εργαλεία, που μπορούν να προβλέψουν και τελικά να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας. Η έννοια της βιο-ψηφιακής αρχιτεκτονικής περιγράφει τη συγχώνευση των βιολογικών και ψηφιακών τεχνολογιών για την εφαρμογή των γενετικών διαδικασιών στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Μέσω της προσομοίωσης των βιολογικών συστημάτων και την ανάπτυξη προσαρμοσμένων τεχνολογιών, γίνεται διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ των λειτουργιών των κτιρίων και του ανθρωπογενούς περιβάλλοντος. Η παρούσα έρευνα εξετάζει τη σκοπιμότητα αντικατάστασης ή υποστήριξης τεχνητού φωτισμού στον υπαίθριο χώρο με διαγονιδιακά βιοφωταυγή φυτά, ως μέσο ελαχιστοποίησης της φωτορύπανσης, μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας και του αποτυπώματος διοξειδίου του άνθρακα από αστικά και προαστιακά υπαίθρια περιβάλλοντα, με στόχο την αειφορία και τη βιωσιμότητα. Η μεθοδολογία που προτείνεται περιλαμβάνει την επιλογή φυτών, που έχουν ήδη ένα πρωτόκολλο γενετικής τροποποίησης και είναι κατάλληλα για τις περιβαλλοντικές συνθήκες της Ελλάδας. Προηγούμενα ερευνητικά δεδομένα υποστηρίζουν την υπόθεση ότι αυτά τα φυτά μπορούν να μετασχηματιστούν γενετικά χρησιμοποιώντας βιοφωταυγή βακτήρια τύπου Vibrio fischeri, έτσι ώστε να εκπέμπουν φως. Μέσω αυτών των δεδομένων και με τη βοήθεια πειραμάτων, η φωτεινή απόδοση αυτών των φυτών βρέθηκε να είναι άμεσα ανάλογη με το μέγεθος του φυλλώματος τους. Προκειμένου να εκτιμηθεί η φωτεινή απόδοση των διαγονιδιακών φυτών ως φωτεινών πηγών, μοντελοποιήθηκε και προσομοιώθηκε ένα φωταυγές φύλλο, με τις φωταυγείς ιδιότητες της καλλιέργειας βακτηρίων του πειραματισμού και έγινε αντιστοίχισή του με τα φυσικά φύλλα των φυτών. Στη συνέχεια δημιουργήθηκε ένα φωτεινό προφίλ που καταγράφει την διακύμανση της φωτεινής ροής κατά τη διάρκεια της ζωής του φυτού και υπολογίστηκε συντελεστής μείωσης (reduction factor, RF) εξαρτώμενος από: α) την αντίσταση του φυτού σε ασθένειες και αστοχίες, β) την ποσότητα του φυλλώματός του και γ) τον συντελεστή αντιστοίχισης του αριθμού των φυσικών φύλλων σε φωταυγή, ανά τρέχον μέτρο οριζόντιας επέκτασής του, ευρισκόμενο σε μέση ανάπτυξη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα διαγονιδιακά φυτά σε μέση ανάπτυξη μπορούν να έχουν μια φωτεινή ροή μέχρι 57 lm, μια τιμή που μπορεί να υποστηρίξει σίγουρα χαμηλές απαιτήσεις φωτισμού σε περιοχές όπως σκοτεινά πάρκα, μονοπάτια, πεζόδρομους, προαστιακές πλατείες κ.ά. Από φωτομετρικές μετρήσεις και υπολογισμούς που διεξάχθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας, η φωτεινή απόδοση φωταυγών διαγονιδιακών φυτών για ένα τυπικό πεζόδρομο πλάτους 5 μ. βρέθηκε ίση με 2 lx, που είναι επαρκής σύμφωνα με τα Ευρωπαϊκά πρότυπα για δρόμο κατηγορίας P6. Παρόλο που το πεδίο αυτής της έρευνας δεν εξετάζει διεξοδικά τους πιθανούς κινδύνους από τη χρήση των διαγονιδιακών φυτών στο οικοσύστημα, είναι προφανές ότι πρέπει να γίνουν περεταίρω έρευνες για την εκτίμηση περιβαλλοντικών κινδύνων πριν από την τοποθέτηση τέτοιων φυτών σε αστικό ή προαστιακό περιβάλλον. Η σκοπιμότητα αυτών των ερευνών κρίνεται αναγκαία, μια και η χρήση των βιοφωταυγών φυτών στο σχεδιασμό του εξωτερικού φωτισμού αλλά και στο σχεδιασμό του αστικού και προαστιακού τοπίου γενικότερα, φαίνεται ότι μπορεί να συμβάλλει στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, δημιουργώντας μια σύγχρονη τεχνολογία αιχμής, καθώς και στην ελαχιστοποίηση της φωτορύπανσης, βελτιώνοντας το αστικό και προαστιακό μικροκλίμα και αμβλύνοντας τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής.