Solarbetriebene „intelligente“ Kleidung könnte Ihren Körper schnell erwärmen oder abkühlen

Ich habe eine schreckliche Kontrolle der Körpertemperatur. Ich stecke meinen Kopf in den Gefrierschrank, wenn es draußen brutzelnd heiß ist. Die Blutgefäße in meinen Händen verkrampfen sich, wenn es feucht und kalt ist. "Ich bin heiß; „Jetzt ist mir kalt“ ist ein laufender Witz in meiner Familie.

Aber ich habe Glück: Im Vergleich zu Kaltblütern haben wir Menschen unzählige Möglichkeiten, unseren Körper bei unterschiedlichen Temperaturen am Laufen zu halten. Wir zittern, wenn es kalt ist, und schwitzen, um die Hitze abzuwehren. Und wenn uns extreme Hitze oder Kälte schwerfällt, haben wir den Mut, unsere Garderobe zu wechseln.

Es klingt offensichtlich, aber Kleidung hat es uns ermöglicht, die entlegensten Winkel unserer Welt relativ bequem und sicher zu erkunden. Aber selbst die technischsten Kleidungsstücke – selbstheizende Westen, Gore-Tex-Schichten oder Anzüge mit integrierten Kühlakkus – haben ihre Grenzen. Die meisten können den Körper entweder wärmen oder kühlen – aber nicht beides – oder erfordern eine externe Stromquelle oder einen sperrigen Akku.

Diese Kleidungsstücke versagen in der Wüste oder in hochgelegenen Gebieten, wo die Temperaturen drastisch von sengender Hitze bis unter den Gefrierpunkt schwanken können. Und wenn wir über die Erde hinausreisen, könnte ein leichter Anzug, der die Körpertemperatur kontrolliert, längere Weltraumspaziergänge plausibler und angenehmer machen.

Diese Woche Wissenschaftler der Nankai-Universität machte einen Schritt in Richtung Intelligente Kleidung, die die Körpertemperatur nur mithilfe von Solarenergie schnell anpasst. Das Team entwickelte ein flexibles Material, das Sonnenlicht einfängt, um Wärme zu speichern und zu übertragen. Tagsüber entzieht das Pflaster der Haut Wärme und speichert überschüssige Energie. Nachts, wenn es kühler ist, wird dieser Energiespeicher freigesetzt, um die Haut auf ein angenehmes Niveau zu erwärmen.

Da das Gerät mit Solarenergie betrieben wird, kann es die Hauttemperatur ohne Batterie aufrechterhalten. Das Pflaster kann sich auch schnell an Schwankungen der Umgebungstemperatur anpassen, indem es automatisch zwischen Kühl- und Heizmodus wechselt.

In einem Test platzierte das Team das Pflaster auf der Hand eines Freiwilligen und kühlte dessen Haut in nur wenigen Sekunden um über neun Prozent. Das Pflaster könnte dafür sorgen, dass sich die Haut angenehm anfühlt, wenn sie einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt wird – von eisigen Temperaturen bis hin zu Hitze auf Death Valley-Niveau.

Anstatt Kleidung zu entwerfen, die vollständig aus dem Material besteht, stellt sich das Team vor, dass diese strategisch in Alltagsmode oder Raumanzüge eingewebt werden kann – mit größeren Patches im Rumpf- und Rückenbereich und kleineren, die auf Schultern, Oberarme und die Vorderseite der Oberschenkel zugeschnitten sind . Selbst ohne den gesamten Körper zu bedecken, sorgt die hohe Effizienz der Wärmespeicherung und -übertragung der Pflaster für ein angenehmes Tragegefühl den ganzen Tag – solange es ein paar Stunden Sonnenschein gibt.

Das Gerät „eröffnet viele Möglichkeiten“, um „die menschliche Anpassung an raue Umgebungen zu erweitern“. schrieb Dr. Xingyi Huang und Peng Li von der Shanghai Jiao Tong University, die nicht an der Studie beteiligt waren.

Science-Fiction-Mode

Es ist kaum besser, sich unter eine Heizdecke zu kuscheln und dabei zuzusehen, wie draußen Schnee fällt. Im Gegensatz dazu ist es ein absoluter Albtraum, in die eiskalte Winterluft zu rennen, um ein Geschenkpaket zu ergattern – vor allem, wenn man Pyjamas und Hausschuhe trägt.

Unser Körper ist nicht für extreme Temperaturen gebaut. Die biologischen Prozesse, die uns denken, fühlen, atmen und verdauen lassen, hängen alle von Proteinen ab, die in einem kleinen Umgebungstemperaturbereich am besten funktionieren. Sie wird als „thermische Komfortzone“ bezeichnet und liegt ungefähr zwischen 71 und 82 Grad Fahrenheit (oder 22 und 28 Grad Celsius). Temperaturen außerhalb dieses Bereichs lassen den Körper schwitzen oder zittern, um unsere Innentemperatur unter Kontrolle zu halten. Doch bei extremer Hitze oder Kälte versagen diese biologischen Mechanismen, was zu Hitzschlag, Erfrierungen oder sogar zum Tod führt.

Kleidung kann die thermische Komfortzone erweitern, indem sie die Hauttemperatur entweder passiv oder aktiv reguliert. Passive Optionen benötigen keine Stromquelle. Einige, wie etwa Handwärmerpackungen, nutzen chemische Reaktionen, um Wärme zu erzeugen und abzugeben. Andere leiten Wärme an die Umgebung ab, um den Träger abzukühlen, oder reflektieren die Körperwärme zurück auf die Haut, um sie warm zu halten. In diese Kategorie fallen bauschige Jacken, kühlende Halsgamaschen oder schweißableitende Stoffe.

Aktive Materialien nutzen eine externe Stromquelle, um die Temperatur eines Materials bei Bedarf schnell zu ändern. Der hohe Energieverbrauch macht es jedoch schwierig, die Temperatur den ganzen Tag über aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn der Träger unterwegs ist.

Solarthermische Kleidung

Die neue Studie verbesserte aktive Materialien durch die Nutzung einer natürlichen Energiequelle: der Sonne.

Das biegsame Material ähnelt einem offenen Sandwich. Oben befindet sich ein flexibles Solarpanel, das Sonnenlicht schnell in elektrische Energie umwandelt, und ein Speichermodul zur Speicherung überschüssigen Stroms. Die untere, der Haut zugewandte Seite ist ein elektrokalorisches Gerät – ein dünner Film, der seine Eigenschaften schnell ändert, wenn er Strom ausgesetzt wird. Bei einem elektrischen Schlag absorbiert diese Schicht Wärme und senkt die Umgebungstemperatur. Durch Ausschalten des elektrischen Feldes wird der Vorgang umgekehrt und das Gerät überträgt Wärme auf die Haut.

Das Gerät kann schnell zwischen Heiz- und Kühlzyklen wechseln, und im Gegensatz zu früheren starren Versionen ist das Material biegbar und kann sich wie ein Pflaster an die menschliche Haut anpassen.

In einem Test legte das Team das Material auf die Hand eines Freiwilligen und variierte die Umgebungstemperatur zwischen kühl und sehr warm. Sie überwachten die Hauttemperatur des Freiwilligen mit einer Infrarotkamera.

Das kleine Pflaster erreichte innerhalb von Sekunden nach Änderungen der Umgebungstemperatur angenehme Temperaturen. Es war außerdem autark und konnte problemlos einen ganzen Tag lang mit zwölf Stunden Sonnenlicht betrieben werden.

In das Unbekannte?

Das neue System erweitert die natürliche thermische Komfortzone unserer Haut. Die „beeindruckende“ Erweiterung ermöglicht es dem Körper, sich „an komplexere und sich verändernde Umgebungen anzupassen“, schreiben Huang und Li.

Eine mögliche Anwendung besteht darin, das Material „in einen herkömmlichen Raumanzug einzuweben, um den Gesamtenergiebedarf zu reduzieren“, schrieb das Team. Allerdings könnte es eine Herausforderung darstellen, Platz zu finden (kein Wortspiel beabsichtigt). Ein angepasster Raumanzug hat nur eine begrenzte Fläche, die dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, was die Größe der Panels begrenzt. Ungefähr 60 Prozent eines Raumanzugs müssen mit dem Material bedeckt sein, um ihn einen ganzen Tag lang ohne externe Batteriequelle mit Strom zu versorgen.

Auch auf der Erde erschwert das schwindende Sonnenlicht im Winter das Aufladen des Materials – insbesondere bei der Erkundung von Polarregionen, in denen der Tag so gut wie verschwindet.

Das Team arbeitet bereits daran, das Material praktischer zu gestalten. Eine Idee besteht darin, temperaturempfindliche elektrische Komponenten zu verwenden, die den Temperaturkontrollbereich des Pflasters weiter erhöhen könnten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Chemikalien hinzuzufügen, die die Fähigkeit des Pflasters, Strom zu leiten, erhöhen und es so effizienter bei der Speicherung und Übertragung von Wärme machen. Die Verknüpfung mehrerer elektrokalorischer Schichten von Kopf bis Fuß könnte auch die Fähigkeit des Geräts verbessern, mit Temperaturänderungen umzugehen.

Für Huang und Li hat das Material weit mehr Verwendungsmöglichkeiten als nur Kleidung. Es könnte Fahrzeuge oder Gebäude beschichten, um die Temperaturen ohne Klimaanlage unter Kontrolle zu halten. Bei extremen Temperaturen mehr Leben nehmen Als Hurrikane, Überschwemmungen oder Tornados zusammen sind diese Materialien nicht nur etwas für unerschrockene Entdecker – sie könnten unseren Alltag verändern.

Bild-Kredit: Kajetan Sumila / Unsplash

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/12/18/solar-powered-smart-clothing-could-rapidly-heat-or-cool-your-body/