„Sun God Clothes“ ist da! Chinesische Universitäten entwickeln intelligente Kleidung, die rund um die Uhr eine konstante Temperatur hält. Das ist so cool

Dieser Winter ist zu kalt. Am 16. Dezember gab das Zentrale Meteorologische Observatorium eine gelbe Tieftemperaturwarnung heraus, die erste Tieftemperaturwarnung in diesem Jahr . In der nächsten Woche werden die Temperaturen in den meisten Teilen meines Landes niedrig bleiben.

Bei solchen Temperaturen kann man der Kälte scheinbar nicht widerstehen, egal, wie viele Kleidungsstücke man trägt. Vielleicht kann uns die tragbare Wärmeregulierungskleidung der Nankai-Universität dabei helfen, „Kleidung anzuziehen und warm zu bleiben“ .

Kürzlich hat ein Forschungsteam der Nankai-Universität ein Kleidungssystem mit Zweiwege-Temperaturregulierung entwickelt, das den ganzen Tag über mit Solarenergie betrieben werden kann . Das System kann durch schnelle Wärmeregulierung die thermische Komfortzone von 22 °C über 28 °C und von 12,5 °C bis 37,6 °C erweitern und verfügt über eine schnelle Körpertemperaturregulierungsrate, wodurch die Sicherheit und der Komfort des menschlichen Körpers in verschiedenen komplexen und instabilen Umgebungen gewährleistet werden.

Da das Gerät zudem über Solarenergie mit Strom versorgt wird, ist keine zusätzliche Stromquelle erforderlich .

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Selbsterhaltende persönliche, ganztägige thermoregulierende Kleidung, die nur Sonnenlicht nutzt“ wurde in Science veröffentlicht.

In einem zeitgleich veröffentlichten Meinungsartikel hieß es: „Das umfassende Gerät von Wang et al. eröffnet umfassende Perspektiven für die Entwicklung aktiv gesteuerter, energieautarker und tragbarer lokaler Wärmemanagementsysteme und bietet gleichzeitig zahlreiche Möglichkeiten, die Anpassungsfähigkeit des Menschen an raue Umgebungen zu verbessern . Diese Innovation zeigt die Zukunftsvision eines Wärmemanagementsystems, das sich nicht rund um die Uhr um Engpässe bei der Energieversorgung sorgen muss, und bei dem die zusätzlich gewonnene Energie sogar unter besonderen Bedingungen zum Betrieb elektronischer Geräte verwendet werden kann .“

Abkühlen, warmhalten, alles beherrschen

Kleidung spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Wärmehaushalts des Körpers und der Erhaltung eines angenehmen Körperklimas. Wenn Sie sich nicht schnell an die Umgebung anpassen können, kann der Wechsel aus einer angenehmen Innenumgebung in eine heiße oder kalte Außenumgebung zu Unbehagen oder Krankheiten führen. In rauen Umgebungen, beispielsweise in kalten Polarregionen oder bei der Raumfahrt, ist es eine noch größere Herausforderung. Daher ist tragbare, wärmeregulierende Kleidung ein seit langem angestrebtes, aber anspruchsvolles Ziel im Bereich intelligenter Kleidungssysteme .

Gegenwärtig hat der Mensch viele Wärmeregulierungssysteme entwickelt, die hauptsächlich in passive und aktive Systeme unterteilt werden. Bei den passiven Systemen ist jedoch bei den meisten solarbetriebenen Systemen nur eine unidirektionale Wärmeregulierung möglich, während bei bidirektionalen Wärmeregulierungssystemen eine Verbesserung der Effizienz, Reaktionsgeschwindigkeit und des einstellbaren Temperaturbereichs erforderlich ist. Während aktive Systeme Nachteile wie mechanische Komplexität, hohen Energieverbrauch und geringe Effizienz aufweisen.

Um Nachhaltigkeit, Flexibilität und geringes Gewicht bei wärmeregulierender Kleidung zu erreichen, haben die Forscher erfolgreich ein tragbares Wärmemanagementsystem (OETC) entwickelt und hergestellt , indem sie organische Photovoltaikzellen und Zellen mit elektrokalorischem Effekt in einem einzigen Gerät mit der erforderlichen Flexibilität kombiniert haben .

Für die Studie wurden kürzlich entwickelte Geräte mit elektrokalorischem Effekt (EC) ausgewählt, die hocheffizient sind, wenig Energie verbrauchen, über bidirektionale Wärmeregulierungseigenschaften verfügen und umweltfreundlich sind. Beispielsweise weist ein flexibler elektrokalorischer Wärmeregler sehr geringe Energiekosten auf, kann einen Leistungskoeffizienten von 13 erreichen und verfügt über eine spezifische Kühlleistung von 2,8 Watt pro Gramm.

Darüber hinaus ermöglicht das OETC ein Zweiwege-Wärmemanagement: Bei heißem Wetter kühlt es die Haut um 10,1 °C, während der menschliche Körper im Dunkeln oder nachts durch die zusätzliche Energiegewinnung durch die organische Photovoltaikzelle 3,2 °C wärmer bleibt als die bloße Haut. Darüber hinaus kann innerhalb der ersten 5 Sekunden die maximale Hauterwärmungsrate 15,6 °C/Minute und die maximale Abkühlungsrate 14,0 °C/Minute erreichen, wodurch eine schnelle Wärmeregulierung erreicht wird.

Abbildung | Arbeitsmodus beim Tragen eines flexiblen OETC, der zwischen heißen (in der Sonne) und kalten (im Dunkeln) Umgebungen wechselt, um je nach Bedarf persönlichen thermischen Komfort zu erreichen (Quelle: das Papier)

Selbst wenn die Umgebungstemperatur zwischen 12,5 °C und 37,6 °C schwankt, hält der OETC die menschliche Hauttemperatur in der thermischen Komfortzone von 32,0 °C bis 36,0 °C.

Das OETC-System profitiert vom niedrigen Energieverbrauch der EC-Geräte und kann mit 12 Stunden Solarenergiezufuhr rund um die Uhr betrieben werden . Das Ergebnis ist eine Kombination aus steuerbarem Allwetter-Dualmodus und signifikanter Wärmeregulierungsleistung, die dem Einzelnen in rauen Umgebungen mehr Komfort bietet, da er nur Sonnenlicht als Energiequelle nutzt.

Darüber hinaus wurde das System erfolgreich auf die menschliche Haut angepasst. Durch Tests im gebeugten Zustand, abgestimmt auf den menschlichen Körper, konnte die Studie die Stabilität in verschiedenen Körperhaltungen nachweisen . Die Forscher beobachteten die Wärmeregulierungsleistung von OETC unter verschiedenen Biegezuständen und die Ergebnisse zeigten, dass OETC eine maximale und stabile Wärmeregulierungsleistung erreichte, wenn es 10 Sekunden lang mit einer Frequenz von 0,75 Hz lief. Diese Flexibilität macht OETC in tragbaren Geräten äußerst anpassungsfähig und ermöglicht eine Koordination mit den Bewegungen und wechselnden Körperhaltungen des Körpers, wodurch eine wirksame Wärmeregulierung in einer Vielzahl von Szenarien gewährleistet wird.

Abbildung ｜ Tragbare Wärmeregulierungsleistung von OETC (Quelle: das Papier)

Verbesserung der Überlebenschancen des Menschen in rauen Umgebungen

Diese Fähigkeit zur Zweiwege-Wärmeregulierung mithilfe von Solarenergie macht das Gerät noch attraktiver, insbesondere für die Integration in herkömmliche Raumanzüge, um den Gesamtstromverbrauch zu senken.

Die theoretische Fläche eines Raumanzugs während einer individuellen Weltraumreise beträgt etwa 1,85 Quadratmeter. Im Weltraum hängt die Stärke des Sonnenstrahlungsdrucks vom Sonnenstrahlungsfluss in der Nähe der Erdoberfläche ab. Zur Berechnung des solaren Strahlungsflusses innerhalb einer astronomischen Einheit wird üblicherweise die Solarkonstante von 136,7 mW/cm2 verwendet.

Abbildung | OETC und die thermoregulierenden Eigenschaften von Baumwollkleidung und die Aussichten für persönliche Raumfahrt (Quelle: das Papier)

Da sich die Leistung von Solarzellen ständig verbessert, wird geschätzt, dass die Solarzellenmodule, die zur Wärmeregulierung des Menschen über den Tag hinweg erforderlich sind, bei einem angenommenen Photovoltaik-Umwandlungswirkungsgrad von 45 % nur noch eine Fläche von 1,12 Quadratmetern benötigen.

Im Übersichtsartikel heißt es: „Mit seiner hervorragenden Wärmemanagementleistung, der Möglichkeit, die Richtung einfach zu wechseln, und der Möglichkeit, den Temperaturbereich des Wärmemanagements für eine optimale Temperaturkontrolle anzupassen, haben Wang et al. ein Kleidungsstück vorgestellt, das es dem menschlichen Körper ermöglicht, sich an Änderungen der Umgebungstemperatur anzupassen.“

Durch die Nutzung des niedrigen Energieverbrauchs von EC-Geräten kann OETC eine steuerbare und wetterunabhängige Dual-Mode-Wärmeregulierung erreichen. Hinzu kommen weitere hervorragende Eigenschaften wie eine einfache und kompakte Struktur, hohe Effizienz und starke Anpassungsfähigkeit.

Mit weiterer Optimierung, so die Forscher, könnte das OETC potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in der Wärmeregulierung auf höchstem Niveau aufweisen und sogar die Überlebenschancen des Menschen in rauen Umgebungen wie Polarregionen und bei einzelnen Weltraumspaziergängen erhöhen .

Es ist jedoch anzumerken, dass dieses System hinsichtlich Leistung und Praktikabilität, einschließlich der Temperaturspanne des Systems und der Wärmeleitfähigkeit der Materialien, noch optimiert werden muss .

Im Übersichtsartikel heißt es: „Das Gerät von Wang et al. kann durch eine Erhöhung der Entropieänderung des Materials weiter verbessert werden, während die Wärmeleitfähigkeit des Materials durch die Zugabe anorganischer Füllstoffe verbessert werden kann. Darüber hinaus kann durch den Bau eines Kaskadengeräts, in dem mehrere elektrokalorische Effektgeräte synergetisch arbeiten, die Wärmemanagementleistung des gesamten Systems optimiert und die Temperaturspanne des gesamten Systems erhöht werden.“

Referenzlinks:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5650