Wenn sich Aerogel Eisbären zum Vorbild nimmt | Polarjournal
Bestens gerüstet für die große Kälte der Arktis. Das Fell der Eisbären besteht aus zwei Schichten, von denen eine aus hohlen Haaren besteht, und bietet zusammen mit der schwarzen Haut und einer dicken Fettschicht einen optimalen Schutz vor Kälte. Manchmal ist es den Bären sogar zu warm und sie müssen sich Strategien überlegen, um sich abzukühlen, wobei sie auch komische Posen einnehmen können. Ein Forschungsteam hat sich gerade vom Fell des Königs der Arktis inspirieren lassen, um ein neues Textil zu entwickeln, das gegen (sehr) niedrige Temperaturen wirksam ist. Bild: Polar Bear International / Facebook – Dmytro Cherkasov

Aerogele gelten als die besten Wärmeisolatoren der Welt. Dieses sehr leichte synthetische Material, das unter anderem zur Isolierung von Gebäuden verwendet wird, kann nun auch für die Herstellung von Kleidung für extreme Kälte verwendet werden. Dies verdanken wir einem chinesischen Forscherteam, das sich bei der Entwicklung einer neuen Textilfaser vom Fell der Eisbären inspirieren ließ.

Eine Faser, die das Fell eines Eisbären nachahmt, so warm wie eine Daunenjacke und fünfmal dünner ist, ist das Material, das ein chinesisches Forscherteam kürzlich entwickelt hat. Ihre Studie, die am 21. Dezember in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, enthüllt eine Faser, die aus Aerogel hergestellt wird, einem synthetischen Material, das sehr leicht ist und die Wärme speichert.

Aerogele sind die weltweit besten Materialien zur Wärmeisolierung. Dennoch eignen sie sich nur schlecht für die Herstellung von Kleidung. Sie sind extrem brüchig und zerbrechlich und lassen sich nicht weben. Ein weiteres Problem ist, dass sie beim Waschen oder in einer feuchten Umgebung ihre isolierenden Eigenschaften verlieren.

Ein Block aus Aerogel, gezeigt von Peter Tsou, dem Koordinator des Stardust-Projekts der NASA. Dieses Material, das in den 1930er Jahren erfunden wurde, ähnelt einem Gel, bei dem die Flüssigkeit durch Gas ersetzt wurde. Es besteht zu 99,8% aus Luft und ist gleichzeitig unglaublich leicht und stark (es kann mehr als das 2000-fache seines Gewichts aushalten). Seine Transparenz hängt mit dem hohen Anteil an Luft zusammen. Aus Siliziumdioxid bestehende Aerogele sind hervorragende Wärmeisolatoren. Bild: NASA/JPL-Caltech / Wikicommons

Um die Grenzen des Aerogels zu überwinden und seine Verwendung für die Herstellung von Kleidungsstücken zu ermöglichen, ließen sich die Forscher vom Fell des Eisbären inspirieren.

Um den eisigen Temperaturen in der Arktis zu widerstehen, hat der Eisbär ein Fell, das aus zwei Schichten besteht. Die erste Schicht besteht aus langen, steifen, hohlen Haaren und die zweite, hautnahe Schicht ist ein dichter Flaum.

Für das Forschungsteam war die erste Schicht die Inspirationsquelle für die Entwicklung eines Aerogel-Textilgarns. „Eisbärenhaare haben einen porösen Kern und eine dichte Struktur, um Wärmeverlust zu verhindern. Diese strukturellen Merkmale trennen die wärmeisolierende Funktion und die mechanische Festigkeit der Haare voneinander, was unser Design und die Vorbereitung der synthetischen Fasern inspiriert hat“, erklären die Forscher in ihrem Artikel.

Biomimikry oder wenn die Technologie die Natur kopiert. Links: Das Fell des Eisbären mit seinem porösen Zentrum, das von einer Hülle umgeben ist. Die Luft kann darin zirkulieren, während das Tier bei extremer Kälte und Feuchtigkeit Isolation und Wärme erhält. Ein klarer Vorteil für diese großen Raubtiere, die als Meerestiere eingestuft werden. Rechts: Eine Struktur aus Aerogel, die von einer Hülle aus thermoplastischem Polyurethan umgeben ist. Bilder: M. Wu et al. / Science

Die Forscher verkapselten daraufhin Aerogelfasern in einer synthetischen Hülle aus thermoplastischem Polyurethan, das für seine Festigkeit und Elastizität bekannt ist, und konnten so eine flexible Textilfaser herstellen, ohne Abstriche bei den wärmeisolierenden Eigenschaften machen zu müssen. Die Wissenschaftler strickten dann einen Pullover unter Verwendung dieser neu geschaffenen verkapselten Aerogelfasern (FAE).

Um die Isolierfähigkeit ihrer Kreation zu überprüfen, führten sie anschließend Vergleichstests an einem Freiwilligen durch, der mit verschiedenen Kleidungsstücken (Aerogel-Pullover, Daunenjacke, Baumwollpullover und Wollpullover) bekleidet und in einer Kältekammer bei -20°C eingesperrt war. Die Wissenschaftler maßen die Oberflächentemperaturen der einzelnen Kleidungsstücke. Während der Baumwollpullover, der am wenigsten isoliert, eine Oberflächentemperatur von 10,8 °C aufwies (was den Verlust von Körperwärme widerspiegelt), zeigte der Aerogel-Pullover nur eine Oberflächentemperatur von mageren 3,5 °C an. Ein vergleichbares Ergebnis wie bei der Daunenjacke (3,8°C), aber bei einer fünfmal geringeren Dicke. Und selbst nach dem Waschen behielt die eingekapselte Aerogelfaser ihre wärmeisolierenden Eigenschaften.

Oben: Ein Pulli, der jedem Wollpullover zum Verwechseln ähnlich sieht. Dennoch erwies sich dieser Pullover aus verkapselten Aerogelfasern als weitaus effektiverer Schutz vor Kälte. Nach einem Aufenthalt in einer Kältekammer bei -20°C betrug die Oberflächentemperatur des Wollpullovers 7,2°C, während die des Aerogelpullovers 3,5°C betrug. Kälteisolierende Eigenschaften, die auch beim Waschen und Färben des Stoffes erhalten blieben. Unten: Messungen der Oberflächentemperatur für jedes Kleidungsstück, das während des Tests verwendet wurde (von links nach rechts: Pullover aus verkapselten Aerogelfasern, Daunenjacke, Wollpullover und Baumwollpullover). Bilder: M. Wu et al. /Wissenschaft

Allerdings sollten sich Polar-Fashionistas und Frostbeulen nicht zu früh über diese vielversprechenden Ergebnisse freuen. Kleidung aus verkapselten Aerogelfasern wird wohl kaum bald in den Schaufenstern großer Handelsketten oder Sportgeschäfte zu finden sein. Die Herstellung der Faser erfordert nämlich viel Zeit und Energie, um marktfähig zu sein, und ist daher besonders teuer. Obwohl die Forscher, die hinter dieser Technologie stehen, noch an der Lösung dieses Problems arbeiten, dürfte die verkapselte Aerogelfaser in erster Linie in technischer Kleidung für das Militär oder die Raumfahrt Verwendung finden.

Mirjana Binggeli, PolarJournal

Link zur Studie: Mingrui Wu, Ziyu Shao, Nifang Zhao, Rongzhen Zhang, Guodong Yuan, Lulu Tian, Zibei Zhang, Weiwei Gao, and Hao Bai, Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile, Science 382 (6677), DOI: 10.1126/science.adj8013, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013

Mehr zum Thema

Print Friendly, PDF & Email
error: Content is protected !!
Share This