Kühlender Stoff aus Akkumembranen

  • 02. September 2016

Nanoporöses Gewebematerial aus Polyethylen ist durchlässig für Feuchtigkeit und Infrarotstrahlung.

In warmen Regionen kühlen Klima­anlagen Büroräume auf 20° bis 22°C ab. Wenn die Temperatur nur um wenige Grad höher läge, könnte der Stromv­erbrauch um ein gutes Drittel reduziert werden. Dieses Ziel haben kali­fornische Material­forscher mit einem neuen Textil­gewebe im Blick, das sie aus undurch­sichtigen und nano­porösen Poly­ethylen-Folien entwickelt haben. Erste Versuche bestätigten, dass ihr passiv kühlender Stoff im Unterschied zu herkömm­lichen Texti­lien nur einen kleinen Teil der Wärme­strahlung, die der mensch­liche Körper permanent abgibt, blockiert.

Abb.: Passiv kühlender Stoff aus nanoporöser Polyethylenfolie für funktionelle Kleidung. (Bild: Yi Cui et al, Stanford Univ.)

Abb.: Passiv kühlender Stoff aus nanoporöser Polyethylenfolie für funktionelle Kleidung. (Bild: Yi Cui et al, Stanford Univ.)

„40 bis 60 Prozent unserer Körper­wärme wird über Infrarot­strahlung abgegeben, wenn wir in einem Büro sitzen“, sagt Shanhui Fan von der Stanford University. Mit seinen Kollegen entwickelte er daher einen passiv kühlenden Stoff, durch den Infrarot­strahlung trans­mittiert, aber der sicht­bares Licht fast vollständig blockiert. Für sein neu­artiges Gewebe griffen die Forscher zu einer nano­porösen Polyethylen­folie, die als Membran in Lithiumionen-Akkus bereits genutzt wird. Die Porengröße variierte zwischen 50 und 1000 Nanometer. Wärme­strahlung konnte sie zu 95 Prozent durc­hdringen. Sichtbares Licht wurde dagegen an den Poren effizient gestreut, wodurch die Folie anders als handels­übliche Frischhalte­folie aus dem gleichen Material mattweiß erschien und nahezu völlig undurch­sichtig wurde.

Diese nano­poröse Kunststoff­membran durch­löcherten Fan und Kollegen zusätzlich mit zahl­reichen Mikro­nadeln und beschichteten es danach mit der hydrophilen Substanz Poly­dopamin. Nach dieser Behandlung konnte Feuchtig­keit die Folie durch die mit bloßem Auge nicht sichtbaren Mikro­löcher problemlos passieren. Um diese Kühlfolie nun in einen tragbaren Stoff zu verwandeln, pressten die Forscher ein grobes Stütz­gewebe aus Baumwolle zwischen zwei nano­porösen Poly­ethylen-Folien. Nach dieser Laminierung entstand ein Textil­gewebe, das in Dicke und Stabi­lität mit einem dünnen Stoff aus reiner Baumwolle vergleichbar war.

Mit einer kleinen Wärmeplatte simulierten die Wissen­schaftler die Infrarot­abstrahlung der menschlichen Haut und konnten die passiv kühlenden Eigen­schaften ihres neuen Gewebes analysieren. Trotz des grob­maschigen, stützenden Baumwoll­netzwerks drang immer noch knapp 80 Prozent der Wärme­strahlung hindurch. Sichtbares Licht wurde blockiert. Verant­wortlich für die guten Trans­missionseigen­schaften von Poly­ethylen waren die aliphatischen C-C- und die C-H-Bindungen. Diese verursachten nur sehr schmal­bandige Absorptions­maxima bei fünf Wellenlängen zwischen 3,4 und 13,7 µm. Sonst war das Material für Infrarot­strahlung im Spektralbereich zwischen 7 und 14 µm transparent.

Abb.: Kühlgewebe unter dem Mikroskop: Der nanoporöse Aufbau lässt Wärmestrahlung problemlos passieren. (Bild: Yi Cui et al, Stanford University)

Abb.: Kühlgewebe unter dem Mikroskop: Der nanoporöse Aufbau lässt Wärmestrahlung problemlos passieren. (Bild: Yi Cui et al, Stanford Univ.)

Ein gleich dicker Baumwoll­stoff dagegen blockierte fast die komplette Wärme­strahlung. Der Grund dafür lag in den zahl­reichen Schwingungs­moden der vor­liegenden C-O-, C-N-, S=O- und aroma­tischen C-H-Bindungen. Wer nun ein Hemd aus diesem Kühlgewebe statt aus Baumwolle trüge, könnte um etwa zwei Grad höhere Raum­temperaturen aushalten, ohne ins Schwitzen zu kommen. Die Leistung zahlreicher Klima­anlagen ließe sich dadurch drosseln.

Die Forscher können sich nun vorstellen, dass aus ihrem kühlenden Stoff schon bald Kleidungs­stücke oder auch Camping­zelte geschneidert werden. Zuvor müsste jedoch eine aus­reichende Stabilität erreicht werden, um zahlreiche Wasch­gänge ungeschadet zu überstehen. Zusätzlich müssten noch Farbstoffe identi­fiziert werden, die die Trans­missionseigen­schaften für Infrarot­strahlung möglichst wenig beein­flussen. Färbende Eisen­oxide und Preußisch-Blau könnten dazu geeignet sein. Die Kosten dieses kühlenden Stoffes könnten sich dabei auch in Grenzen halten, da die nano­poröse Poly­ethylen-Membranen derzeit für etwa zwei US-Dollar pro Quadrat­meter erhältlich sind.

Jan Oliver Löfken

JOL

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