Wärmt und kühlt: Neues System könnte Kleidung für Extrembedingungen ermöglichen

Der menschliche Körper kann nur eine bestimmte Menge an Wärme – oder Kälte – verkraften. Dies kann in extremen Umgebungen ein Problem sein, von polaren Minusgraden bis zur unbarmherzigen Hitze der Sahara, und es macht nicht bei der Erde halt. Die Aufrechterhaltung der Temperatur ist auch für Astronauten ein Problem. Das Vakuum im Weltraum ist eine riesige Gefriertruhe, und die direkte Sonneneinstrahlung kann ebenso brutal sein wie die Kälte.

Technische Kleidungsstücke, die die Körpertemperatur regulieren, haben in der Regel nur eine Funktion: Heizung oder Kühlung. Außerdem sind sie oftmals sperrig und verbrauchen viel Energie, so dass die Batterien irgendwann leer sind. Was wäre, wenn es ein System gäbe, das sowohl heizt als auch kühlt und dabei mit einer konstanten erneuerbaren Energiequelle betrieben wird?

Ein Forscherteam unter der Leitung von Ziyuan Wang von der Nankai-Universität in Tianjin, China, hat sich dieser Herausforderung angenommen. Ihr Ergebnis ist ein flexibles, solarbetriebenes System, das in die Kleidung integriert werden kann. Durch aktives Wärmen und Kühlen der Haut kann es die Körperwärme regulieren. Außerdem arbeitet es 24 Stunden lang ununterbrochen und braucht nur Sonnenlicht zum Aufladen.

"Um die geforderte Nachhaltigkeit und Flexibilität sowie ein geringes Gewicht zu erreichen, muss die Wärmemanagementeinheit für den Körper eine hohe Effizienz bei der Energieübertragung und einen geringen Energieverbrauch aufweisen", so das Team in der kürzlich in "Science" veröffentlichten Studie.

Batterien nicht enthalten

Das neue System von Wang kombiniert die Leistung einer Solarzelle mit der eines elektrokalorischen Geräts. Für die Solarzellen verwendeten die Forscher ein flexibles Polymer. Das elektrokalorische Gerät sorgt für die Temperaturänderung, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Das Anlegen des Feldes erwärmt das Material, während das Entfernen des Feldes es abkühlt.

Das von Wang und seinen Kollegen entwickelte System besteht aus einer Art Polyvinyl. Dieses flexible Material fungiert als Isolator und integriert eine Solarzelle außerhalb des Polyvinyls mit einem elektrokalorischen Gerät darunter. Wenn die Solarzelle dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, tut sie genau das, was von ihr erwartet wird, indem sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt. Diese Elektrizität wird dann an die elektrokalorische Einheit übertragen, wo (vorausgesetzt, das System befindet sich im Kühlmodus) das Auftreten eines elektrischen Feldes das System erwärmt. Die von der Solarzelle erzeugte Energie reicht aus, um das gesamte System am Laufen zu halten. Die überschüssige Energie wird in einem separaten Energiespeicher aufbewahrt.

Aufdrehen oder abdrehen

Die tagsüber gespeicherte Energie ist besonders nützlich, wenn die Sonne untergegangen ist. Bei Dunkelheit zapft das System automatisch Energie aus dem Speicheraufsatz an, um die Nacht durchzustehen. Wenn es wärmer oder kälter wird, lässt sich der Heiz- und Kühlmodus einfach umschalten. Und wenn dem System die Energie ausgeht, muss es nicht an die Steckdose angeschlossen werden, sondern kann 12 Stunden lang durch direkte Sonneneinstrahlung wieder aufgeladen werden.

"Mit diesen beiden Arbeitsmodi kann eine bidirektional steuerbare Thermoregulation zum Kühlen und Wärmen je nach Bedarf realisiert werden", so die Forscher in derselben .

Wie kann also ein Forscher, Astronaut oder jemand, der sich in einer extremen Umgebung aufhält, dieses Gerät tragen? Wang schlägt einen Anzug mit Heiz- und Kühlpaneelen vor, die auf der Vorder- und Rückseite der Brust, der Arme und der Beine angebracht sind. Da die Paneele so flexibel und leicht sind, würde ein solches Kleidungsstück eine Person, die glühender Hitze ausgesetzt ist, nicht beschweren.

Auch wenn diese Thermoregulationstechnik noch nicht verfügbar ist, hofft Wang, dass sie für diejenigen einen Durchbruch bedeuten, die in extremen Umgebungen arbeiten müssen – sogar für Astronauten, die bei einem Weltraumspaziergang der eisigen Dunkelheit trotzen müssen.

Der Artikel erschien ursprünglich auf Ars Technica.

(jle)