Eine neue Denkweise über thermischen Komfort an heißen Tagen – WIEDERHOLT

Neue Stoffe, die den Wärmeaustausch zwischen Körper und Umgebung fördern, sorgen im Sommer für mehr Wohlbefinden.

Die Haut ist das wichtigste Organ zur Wärmeregulierung des menschlichen Körpers. Kleidung fungiert als Wärmewiderstand zwischen Körper und Umgebung und stellt eine Barriere für den Wärmeaustausch durch Konvektion dar. Der Widerstand hängt von der Art des Stoffes, der Faser und der Passform am Körper ab. Er wird durch selektiven Trockenaustausch im Verhältnis zum Träger gemessen und die Maßeinheit ist als Clo (vom englischen Begriff clothes) bekannt.

Thermischer Komfort wird definiert als der mentale Zustand, der die Zufriedenheit einer Person mit ihrer Umgebung ausdrückt – und ist ein sehr wichtiger Faktor bei der Betrachtung der Energieeffizienz von Gebäuden. Komfortvariablen werden in Umweltvariablen und menschliche Variablen unterteilt: Temperatur, mittlere Strahlungstemperatur, Geschwindigkeit und relative Luftfeuchtigkeit bilden die Umweltvariablen, während der durch körperliche Aktivität erzeugte Stoffwechsel und der Wärmewiderstand der Kleidung menschliche Variablen sind.

Ist es in einem Raum kalt, hat man mehrere Möglichkeiten: Man kann ein wärmeres Hemd anziehen oder die Heizung einschalten. Ist es im Raum jedoch heiß, ist die Entscheidung nicht so einfach. Am Arbeitsplatz darf man nur begrenzt Kleidung ablegen, und das Tragen leichterer Kleidungsstücke wie T-Shirts wird in manchen Geschäftskreisen verpönt. Die Standardlösung ist daher, die Klimaanlage einzuschalten.

Glücklicherweise könnte sich unsere Anpassung an wärmere Temperaturen ändern, wenn eine diese Woche in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Entdeckung auf den Markt kommt. Yi Cui und seine Kollegen an der Stanford University haben ein Gewebe entdeckt, das die Haut 2 °C kühler hält als Baumwollkleidung.

In puncto Komfort ist dies eine erhebliche Einsparung – was sich nicht nur für den Benutzer, sondern auch für die Energierechnung positiv auswirken könnte. Würde sich der neue Stoff flächendeckend durchsetzen, könnten Räume wärmer gehalten werden als heute, was in den Sommermonaten enorme Energieeinsparungen ermöglichte.

Ziel von Dr. Cuis Forschung war zunächst, die Temperatur der Menschen durch Anpassung der Wärmeabstrahlung ihres Körpers zu senken. Mehr als die Hälfte der Körpertemperatur liegt im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Das bedeutet, dass die Wellenlänge länger ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Materialien wie Polyethylen lassen beide Wellenlängen durch und sind daher zum Weben von Kleidung unbrauchbar – sie lassen sowohl Licht als auch Wärme durch und schützen uns nicht vor Kälte oder Nacktheit. Im Gegensatz dazu lassen Stoffe wie Wolle, Baumwolle und Seide keine der beiden Wellenlängen durch, fangen also Infrarot ein und halten uns warm.

Die Antwort auf Cuis Untersuchungen kam aus der Batterieforschung. Ein in modernen Batterien häufig verwendetes Material heißt nanoPE. Es ist eine Art Polyethylen, das mit Poren von 50 bis 1.000 Nanometern (Milliardstel Meter) perforiert ist. Diese Poren dienen der Regulierung des Ionenflusses innerhalb der Batterie – und sie haben genau die richtige Größe, um das Material für sichtbares Licht undurchlässig zu machen. Den infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums können diese Poren jedoch nicht beeinflussen, da sie weniger als 10 % der Infrarotstrahlen blockieren.

Fabrikneu ähnelt NanoPE einer Plastikfolie und ist nicht sehr angenehm zu tragen. Um dieses Problem zu umgehen, nahm das Stanford-Team drei Änderungen vor. Zunächst durchstochen sie die Folie in regelmäßigen Abständen mit einer kleinen Nadel, um Luft ein- und ausströmen zu lassen. Dann fügten sie eine Substanz namens Polydopamin hinzu, die den Kunststoff hydrophiler macht. Das bedeutet, anstatt Schweiß abzuweisen und ihn auf der Haut verklumpen zu lassen, absorbiert das modifizierte NanoPE den Schweiß und transportiert ihn an die Außenfläche des Gewebes, wo der Schweiß verdunstet. Um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern, bestand das Endprodukt schließlich aus zwei NanoPE-Schichten, die durch ein weit auseinander liegendes Baumwollnetz getrennt waren.

Anschließend testete das Team, wie sich das hinzugefügte Material auf die Leistung des NanoPE auswirkte. In einem Raum mit 23,5 °C betrug die Temperatur der nackten Haut 33,5 °C. Mit Baumwollstoff bedeckte Haut hatte 37 °C, während mit NanoPE allein bedeckte Haut 34,3 °C hatte. Varianten mit Perforationen, Netzen und anderen Modifikationen zeigten keine so gute Wärmeleistung, senkten die Hauttemperatur aber immer noch um mindestens 2 °C im Vergleich zu Baumwolle.

Natürlich werden Designer nicht die ersten sein, die losrennen und Modemodelle mit dem neuen Stoff entwerfen, aber die Entdeckung hat eine neue Denkweise zur Senkung der Körpertemperatur geschaffen. Die vom menschlichen Körper durch Stoffe ausgesendeten Wellen zu manipulieren, ist eindeutig eine Idee, die funktioniert. Neben der Verwendung in Innenräumen bietet Dr. Cuis neuer Stoff auch im Freien Anwendungsmöglichkeiten – schließlich gibt es in Wüsten keine Klimaanlagen, und Menschen, die dort arbeiten, wie beispielsweise Soldaten, legen wahrscheinlich wenig Wert auf Mode. Der nächste Schritt wäre dann die Suche nach Materialien, die diese Aufgabe für den Träger komfortabler erfüllen als NanoPE.

Quelle: The Economist