Panorama

Kühlen Kopf bewahren

28.08.2019 - Schweizer Wissenschaftler erforschen die Kühleigenschaften von Fahrradhelmen.

Für die Akzeptanz von Fahrradhelmen ist der Tragekomfort ein wichtiger Faktor. Damit verknüpft sind der Schutz gegen Sonnenstrahlung sowie eine gute Belüftung zur Kühlung des Kopfes. Vor allem der konvektive Wärmeverlust am Kopf, die Verdampfungskühlung der Kopfhaut sowie die Wärmeaufnahme durch die Sonneneinstrahlung von speziellem Interesse. Detaillierte Kenntnisse und eine separate Quantifizierung dieser Wärmetransportarten liefern wichtige Grundlagen, um den Tragekomfort der Helme zu verbessern, ohne die Schutzeigenschaften negativ zu beeinflussen.

Um wissenschaftlich zu untersuchen, wie ein Helm den Wärmeaustausch am Kopf mit der Umwelt beeinflusst, hat das Eidgenössischen Forschungsinstitut für Materialwissenschaften und Technologie (Empa) ein thermisches Kopfmanikin, ein Kopfmodell, entwickelt. Damit können die separaten Wärmetransportarten wie konvektiver Wärmetransport, evaporative Kühlwirkung und der Strahlungswärmeeintrag am Kopf quantifiziert werden. Eine Einteilung in neun Zonen erlaubt auch die Untersuchung lokaler Regionen am Kopf.

Zur Messung platzierten die Empa-Forscher das thermische Kopfmanikin in einem eigens konzipierten Windkanal und setzten es Windgeschwindigkeiten von 6 km/h und 22 km/h aus (Abbildung 1). Der Windkanal befindet sich in einer Klimakammer, in der die Umgebungstemperatur auf 25 °C und die Luftfeuchtigkeit auf 60 % eingestellt ist. Dabei simulierten sie vier Standardbedingungen mit geringer und hoher Windgeschwindigkeit sowie mit aufrechter und geneigter Kopfhaltung.

Bei einer Messung wird die Oberflächentemperatur des Kopfmanikins auf eine vorgegebene Temperatur reguliert, normalerweise 35 °C, und innerhalb des Bereiches von 0,05 °C konstant gehalten. Dabei lässt sich für mehrere Zonen feststellen, welche Heizleistung notwendig ist, um die Oberflächentemperatur konstant zu halten. Das sagt aus, wie groß der Wärmeverlust jeweils in den einzelnen Zonen ist. Um die konvektive Kühlleistung eines Fahrradhelmes zu ermitteln, wird jeweils mit und ohne Helm gemessen. Aus der Differenz der Wärmeverluste  berechnet sich diese in Prozenten der konvektiven Kühlleistung ohne Helm.

Aus flächengewichteten Mittelwerten der einzelnen Zonen konnten die Forscher so auch globale Kennzahlen zu den Wärmetransportarten eines Helmes berechnen. Nach diesem Verfahren haben sie verschiedene im Handel erhältliche Fahrradhelme auf ihre konvektive Kühlleistung und ihren Schutz vor zusätzlichem Wärmeeintrag durch die Sonne untersucht. Dabei stellten sie fest, dass beim Tragen eines solchen Helms und aufrechter Haltung die Kühlleistung durch den Wind noch 56 bis 69 % der Kühlleistung ohne Helm beträgt, bei einer niedrigen Windgeschwindigkeit von 6 km/h. Bei 22 km/h betrug die Kühlwirkung 64 bis 79 %. Eine sportliche und aerodynamischere Haltung verbessert zudem die Kühlleistung bei geringen Windgeschwindigkeiten auf 57 bis 78 %, bei hohen Windgeschwindigkeiten auf 67 bis 90 %.

Interessanterweise konnten sie feststellen, dass Helme mit ähnlichen Allgemeinwerten der Kühlleistung trotzdem lokale Unterschiede aufweisen, die teils beträchtlich sind. Generell fanden sie, dass gut kühlende Helme die gesamte Kopffläche und somit auch den Bereich des Hinterkopfs belüften. Bei einigen Helmen zeigte sich, dass zu viele Luftöffnungen den Luftstrom zu früh aus dem Helm führen, bevor er den Hinterkopf erreicht, was nicht optimal ist. Daraus ließ sich schlussfolgern, dass viele Lüftungsöffnungen nicht unbedingt von Vorteil sind, vielmehr muss man diese an den richtigen Stellen positionieren. Lufteinströmungen im Stirnbereich sind ebenso wünschenswert wie Ausströmungsöffnungen am Hinterkopf. Zusätzlich kann die Belüftung im Helm selbst mit Strömungskanälen verbessert werden.

TB

Der wesentlich umfangreichere, vollständige Artikel ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen (Download nur mit Online-Abo).

Originalveröffentlichung

S. Annaheim, Kühlen Kopf bewahren, Phys. Unserer Zeit 50(4), 191 (2019); https://doi.org/10.1002/piuz.201901543

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