Der menschliche Körper kann nur so viel Wärme – oder Kälte – vertragen. Dies kann in extremen Umgebungen, von Polartemperaturen unter Null bis zur unbarmherzigen Hitze der Sahara, ein Problem sein, und es macht vor der Erde nicht halt. Auch die Aufrechterhaltung der Temperatur ist für Astronauten ein Thema. Das Vakuum des Weltraums ist ein gigantischer Gefrierschrank, und die direkte Sonneneinstrahlung dort draußen kann genauso brutal sein wie die Kälte.
Kleidungstechnologie, die die Körpertemperatur reguliert, funktioniert normalerweise nur in eine Richtung: Heizen oder Kühlen. Außerdem ist es meist sperrig und benötigt viel Energie, die letztendlich alle Batterien entlädt. Was wäre, wenn es ein System gäbe, das sowohl heizt als auch kühlt und gleichzeitig mit einer konstanten erneuerbaren Energiequelle betrieben wird?
Ein Forscherteam unter der Leitung von Ziyuan Wang von der Nankai-Universität in Tianjin, China, hat ein flexibles, solarbetriebenes Gerät entwickelt, das in die Kleidung integriert werden kann und den Körper durch aktive Erwärmung oder Kühlung der Haut reguliert. Außerdem arbeitet es 24 Stunden lang ununterbrochen und benötigt zum Aufladen nur Sonnenlicht.
„Um die erforderliche Nachhaltigkeit und Flexibilität sowie ein geringes Gewicht zu erreichen, muss die Wärmemanagementeinheit für den Körper bei der Energieübertragung hocheffizient sein und einen geringen Energieverbrauch aufweisen“, sagte das Team in einer kürzlich in Science veröffentlichten Studie.
Batterien nicht enthalten
Wangs neues System kombiniert die Leistung einer Solarzelle mit der eines elektrokalorischen Geräts. Solarzellen, auch Photovoltaikzellen genannt, bestehen aus Halbleitermaterialien, die Energie aus Sonnenlicht absorbieren und in Elektrizität umwandeln können. In diesem Fall handelt es sich bei dem verwendeten Photovoltaikmaterial um ein flexibles Polymer.
Die andere Komponente ist ein elektrokalorisches Gerät, das die Temperatur ändert, wenn es in ein elektrisches Feld gebracht wird. Durch Anlegen des Feldes wird das Material erhitzt, durch Entfernen wird es abgekühlt.
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. Bei Einwirkung von Sonnenlicht tat die Solarzelle genau das, was von ihr erwartet wurde, indem sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelte. Diese Elektrizität wird dann an das elektrokalorische Gerät übertragen, wo (vorausgesetzt, das Gerät befindet sich im Kühlmodus) das Auftreten eines elektrischen Feldes das Gerät erwärmt. Die Solarzelle erzeugt genügend Strom, um das gesamte System am Laufen zu halten, und überschüssige Energie wird in einem separaten Energiespeicher gespeichert.
Drehen Sie es lauter oder leiser
Die tagsüber gespeicherte Energie wird nach Sonnenuntergang besonders nützlich. Bei Dunkelheit greift das System automatisch auf Energie aus dem Speicheraufsatz zurück, um die Nacht durchzuhalten. Heiz- und Kühlmodus können einfach umgeschaltet werden, wenn es heißer oder kälter wird. Und wenn dem System die Energie ausgeht, müssen Sie nichts anschließen – wenn Sie es 12 Stunden lang direktem Sonnenlicht aussetzen, wird es wieder aufgeladen.
„Mit diesen beiden Arbeitsmodi kann je nach Bedarf eine bidirektional steuerbare Thermoregulation zum Kühlen und Erwärmen umgesetzt werden“, so die Forscher in derselben Studie.
Wie kann also ein Entdecker, Astronaut oder jemand in einer extremen Umgebung dieses Gerät tragen? Wang schlägt einen Anzug mit Heiz-Kühl-Einsätzen vor, die vorne und hinten an der Brust, den Armen und Beinen angebracht sind. Da die Einsätze so flexibel und leicht sind, würde ein Kleidungsstück wie dieses niemanden belasten, der glühender Hitze ausgesetzt ist.
Obwohl diese thermoregulierende Technologie möglicherweise noch nicht verfügbar ist, hofft Wang, dass sie ein bedeutender Durchbruch für diejenigen sein könnte, die in extremen Umgebungen arbeiten müssen, sogar für Astronauten, die der eisigen Dunkelheit trotzen müssen, um einen Weltraumspaziergang zu unternehmen.
Wissenschaft, 2023. DOI: 10.1126/science.adj3654