Kombitextil wärmt und kühlt zugleich

Seine spezielle Struktur macht dieses Wendematerial je nach Ausrichtung mal kühlend, mal wärmend (Grafik: Hsu et al., Sci. Adv. 2017;3: e1700895)

Wenn es um Kleidung geht, müssen wir uns bisher entscheiden: Soll sie uns warmhalten oder eher für luftige Kühle sorgen? Jetzt haben Forscher ein Funktionsmaterial entwickelt, das beides kann. Nach dem Prinzip einer Wendejacke hält die eine Seite unsere Körperwärme drinnen und wärmt dadurch. Krempelt man die Jacke auf die andere Seite, leitet das Material Wärmestrahlung effektiv nach außen ab und sorgt so für angenehme Kühle auf der Haut. Wir bleiben so klimatisiert, ohne dass gleich der ganze Raum geheizt oder gekühlt werden muss.

Gerade Outdoorkleidung ist heute längst ein Hightech-Produkt: Eine raffinierte Kombination speziell entwickelter Materialien sorgt dafür, dass beispielsweise eine solche Jacke zwar gegen Regen schützt, aber trotzdem atmungsaktiv ist und beim Schwitzen den Wasserdampf nach außen ableitet. Möglich wird dies oft durch eine spezielle Nanostruktur der Textilschichten. Wenn es um die Thermoregulation geht, ist solche Kleidung jedoch bisher eher unflexibel: Die Jacke kann uns warmhalten, aber wenn wir Abkühlung wollen, müssen wir sie ausziehen. Po-Chun Hsu von der Stanford University und seine Kollegen haben nun jedoch ein Funktionsmaterial entwickelt, das beides kann: Je nachdem, wie herum man dieses Hightech-Textil trägt, kann es entweder kühlen oder aber warmhalten.

Raffinierte Schichtung

Der Clou dieses Funktionstextils ist seine Materialkombination: Es besteht aus zwei unterschiedlich dicken Schichten eines Polyethylen-Kunststoffs, der von Nanoporen durchbrochen wird. Dieses nanoporöse PE ist durchlässig für Strahlung im mittleren Infrarotbereich – und damit für die Wärmestrahlung, die beispielsweise von unserer Haut ausgeht, wie die Forscher erklären. Die dickere Schicht dieses Materials ist innen mit einer porösen Kohlenstoffschicht überzogen - einem Material, das einen hohen Emissionsgrad besitzt. Es kann damit sehr viel Wärmestrahlung aufnehmen, diese aber auch sehr effektiv wieder abgeben. Die andere Seite ist mit einer hauchdünnen Kupferschicht bedampft. Das Metall hat einen geringen Emissionsgrad, es nimmt wenig Wärmestrahlung auf und gibt auch wenig davon ab. "Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass diese Kupferbeschichtung aber dünn genug ist, um Luft und Dampf hindurchzulassen", berichten die Forscher.

Beide Teile werden nun so zusammengefügt, dass Kohlenstoff und Kupfer im Inneren eine Art Doppelschicht bilden. "Diese Doppelschicht dient als Wärmeemitter und die Dicke der Nano-PE-Schicht steuert, wie nah diese Schicht der menschlichen Haut ist", erklären Hsu und seine Kollegen. Will man nun dieses Verbundmaterial zum Kühlen nutzen, trägt man das Verbundmaterial so, dass die dünnere PE-Lage auf der Hautseite liegt. "Das sorgt für eine effektive Wärmeleitung zwischen der Haut und dem Emitter", erklären die Forscher. Gleichzeitig liegt in diesem Zustand die Kohlenstoffseite der Doppelschicht außen und kann die von innen einströmende Wärme effektiv nach außen abstrahlen. Soll das Textil dagegen warmhalten, dreht man die dickere PE-Lage nach innen. Das poröse Polymer wirkt nun wie eine Isolierschicht und lässt die Körperwärme gar nicht erst bis zur Emitter-Doppelschicht gelangen.

Wohlfühlzone vergrößert

Wie gut dieses Kombimaterial tatsächlich funktioniert, haben Hsu und seine Kollegen in einer Klimakammer ausprobiert. Dabei diente eine spezielle, auf 31 Grad erwärmte Wärmeplatte als Haut, die Temperatur der Luft in der Klimakammer lag bei 22 Grad. "Legt man nun ein Stück normalen Stoffs auf diese künstliche Haut, steigt deren Temperatur auf knapp 37 Grad", berichten die Forscher. Nun folgte der Vergleich mit ihrem neuen Verbundtextil: Legten sie dieses im Kühlmodus auf die Haut, sank die Hauttemperatur auf nur noch 33,8 Grad ab. Drehten die Wissenschaftler das Material dagegen um, sorgte der Wärmemodus für einen Anstieg auf 40,3 Grad. "Diese 6,5 Grad Unterschied erzielen wir allein dadurch, dass wir dasselbe Textil einfach umdrehen", betonen die Forscher.

Der große Vorteil: Eine Wendejacke aus diesem Funktionsmaterial vergrößert damit unsere thermische Komfortzone – den Temperaturbereich, in dem wird weder schwitzen noch frieren. Denn die Wendekleidung gleicht Temperaturschwankungen der Luft aus. Dadurch bleiben wir in unserer thermischen Wohlfühlzone, ohne dass wir uns komplett umziehen müssen oder dass gleich der ganze Raum geheizt oder gekühlt werden muss. Ein weiteres Plus: Die Wendekleidung erreicht dies passiv, ohne dass dafür Energie zugeführt werden muss. Wie die Forscher berichten, könnte das neue Funktionsmaterial nicht nur in Kleidung eingesetzt werden, auch sensible Elektronik könnte vor Temperaturschwankungen geschützt werden. Denn durch Veränderung der Doppelschicht-Materialien könnte die Pufferwirkung des Materials sogar bis auf 14,5 Grad erhöht werden.

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