Eine neue Denkweise über thermischen Komfort an heißen Tagen

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 Wärmewiderstand hängt von der Art des Gewebes, der Faser und der Passform ab. Er wird durch selektiven Trockenaustausch relativ zum Träger gemessen und die Maßeinheit ist clo (vom englischen Begriff „clothes“).

Thermischer Komfort ist 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 umweltbedingte 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 die menschlichen Variablen sind.

Ist ein Raum kalt, haben Sie verschiedene Möglichkeiten: Sie können ein wärmeres Hemd anziehen oder die Heizung einschalten. Ist der Raum jedoch warm, ist die Entscheidung nicht so einfach. Am Arbeitsplatz können wir nur eine begrenzte Menge an Kleidung tragen, und das Tragen leichter Kleidungsstücke wie T-Shirts wird in manchen Geschäftskreisen missbilligt. Die Standardlösung besteht daher darin, die Klimaanlage einzuschalten.

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

In Bezug auf den Tragekomfort ist das eine erhebliche Verbesserung – eine, die sich nicht nur für den Träger, sondern auch für die Energierechnung positiv auswirken könnte. Wenn das neue Gewebe für umfassenden Schutz höhere Temperaturen als heute vermeiden könnte, ließen sich in den Sommermonaten enorme Mengen Energie sparen.

Das Ziel von Dr. Cuis Forschung war zunächst, die Temperatur der Menschen zu senken, indem die Art und Weise angepasst wird, wie ihre Körperwärme abgestrahlt wird. Mehr als die Hälfte der Körpertemperatur liegt im infraroten Teil 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. Stoffe wie Wolle, Baumwolle und Seide hingegen lassen keine der beiden Wellenlängen durch und fangen so Infrarotlicht ein, wodurch wir uns aufheizen. Die Antwort auf Cuis Untersuchungen lieferte die Forschung über Batterien. Ein in modernen Batterien häufig verwendetes Material heißt NanoPE. Es ist eine Art Polyethylen, perforiert mit Poren von 50 bis 1.000 Nanometern (Milliardstel Meter). Diese Poren dienen dem regelmäßigen Durchgang von Ionen innerhalb der Batterie – und sind genau so bemessen, dass das Material für sichtbares Licht undurchlässig ist. Diese Poren beeinflussen jedoch nicht den infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums und blockieren weniger als 10 % der Infrarotstrahlen.

Fabrikfrisch ähnelt NanoPE einer Plastikfolie und ist nicht sehr angenehm zu tragen. Um dieses Problem zu umgehen, nahm das Stanford-Team drei Änderungen vor. Zunächst stachen sie die Folie in regelmäßigen Abständen mit einer kleinen Nadel ein, um Luft ein- und ausströmen zu lassen. Dann fügten sie eine Substanz namens Polydopamin hinzu, die den Kunststoff hydrophiler macht. Das bedeutet, dass das modifizierte NanoPE den Schweiß nicht abweist und ihn auf der Haut verklumpen lässt, sondern ihn aufnimmt und an die Außenseite des Gewebes transportiert, wo er verdunstet. Um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern, wurde das Endprodukt aus zwei NanoPE-Folien hergestellt, 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 Baumwollgewebe bedeckte Haut hatte 37 °C, während Haut, die nur mit NanoPE bedeckt war, 34,3 °C hatte. Varianten mit Perforationen, Mesh und anderen Modifikationen schnitten zwar nicht so gut in Bezug auf die Wärmeleistung ab, senkten die Hauttemperatur aber dennoch um mindestens 2 °C im Vergleich zu Baumwolle.

Natürlich werden Designer nicht die ersten sein, die mit dem neuen Stoff modische Designs entwerfen, doch die Entdeckung hat eine neue Denkweise zur Senkung der Körpertemperatur geschaffen. Die vom menschlichen Körper ausgesendeten Wellen durch Stoffe zu manipulieren, ist eindeutig eine funktionierende Idee. Neben der Verwendung in Innenräumen bietet Dr. Cuis neuer Stoff auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Freien – schließlich gibt es in Wüsten keine Klimaanlagen, und die dort arbeitenden Menschen, wie beispielsweise Soldaten, sind wahrscheinlich sehr modebewusst. Die nächsten Schritte bestanden darin, Materialien zu finden, die für den Benutzer komfortabler sind als NanoPE.

Quelle: The Economist