Warum diese neue, vom Kamelfell inspirierte Technologie super cool ist

Ein zweischichtiges Material, das die Schweißdrüsen der Tiere nachahmt und das Fell isoliert, kühlt Oberflächen 400 Prozent länger als herkömmliche Methoden

Spinne Wetzel

Täglicher Korrespondent

Um das Leben in der Wüste zu überleben, braucht ein Kamel sowohl Schweiß als auch Fell. Das sagt der Ingenieur Jeffery Grossman vom Massachusetts Institute of Technology. „Wenn es das Fell nicht hätte, würde es viel zu schnell schwitzen und kein Wasser mehr haben, was für das Kamel eine wirklich wertvolle Ressource ist“, sagt Grossman. Der Ingenieur fragte sich, ob er die Schweißdrüsen und das isolierende Fell des Kamels durch die Schichtung zweier Materialien nachahmen könnte. In einer neuen Studie, die heute in der Fachzeitschrift Joule erscheint, erläutert Grossman die neue innovative Technologie, mit der Lebensmittel und medizinische Vorräte gekühlt werden könnten, ohne dass zusätzliche Energie erforderlich wäre.

Für die untere Schicht des von Kamelen inspirierten Systems verwendete Grossman Hydrogel, ein hochabsorbierendes Netzwerk aus Polymeren, das mit Wasser aufgeladen ist. Wenn Wasser aus dem Hydrogel verdunstet, kühlt die Flüssigkeit die Oberfläche, auf der sie sich befindet. Die oberste Schicht, die Grossman schuf, bestand aus Aerogel, einer hydrophoben Silikatstruktur, die mit winzigen Poren gefüllt ist, wodurch das Material zu mehr als 90 Prozent aus Luft besteht – was der Substanz den Titel „leichtester Feststoff der Welt“ einbrachte. Aerogel wirkt wie das Fell eines Kamels, isoliert das Hydrogel vor wärmeren Umgebungstemperaturen und verlangsamt die Wasserverdunstung für eine anhaltende Kühlleistung

Grossman wusste, dass die Schicht auf dem Hydrogel sowohl isolierend als auch porös sein musste, damit Wasser durch sie hindurch verdunsten konnte. Wenn die Isolierschicht zu dünn wäre, so Grossman, sei das so, als hätte man „einen Buzzcut auf dem Kamel“, der das Hydrogel nicht von der Umgebungswärme isolieren würde. Wäre die Aerogelschicht zu dick oder nicht porös genug, könnte das Wasser des Hydrogels nicht verdunsten und die Technologie würde ihre Kühlleistung verlieren. „Durch die richtige Gestaltung des Aerogels würde es grundsätzlich verhindern, dass das Wasser zu schnell, aber nicht vollständig verdunstet“, sagt Grossman. Durch die Verlangsamung der Verdunstung „holt man mehr aus jedem Tropfen Wasser heraus.“

Um die Leistung des zweischichtigen Ansatzes zu messen, platzierten Grossman und sein Team einen Wärmesensor unter den Schichten und stellten das System in eine feuchtigkeits- und temperaturkontrollierte Kammer. Der Sensor überwachte die Temperatur unter dem Hydrogel im Laufe der Zeit, während Flüssigkeit in die 86 Grad Fahrenheit warme Kammer verdampfte. Das Team verglich seine von Kamelen inspirierte Kreation mit einer einzelnen Schicht unbedeckten Hydrogels. Das Zweischichtsystem senkte die Temperatur auf nahezu die des Hydrogels allein, aber die Doppelschicht hielt diese Kühlleistung viel länger aufrecht. Grossman fand heraus, dass die geschichteten Materialien die Abkühlzeit um 400 Prozent verlängerten.

„Ich hätte nicht gedacht, dass wir so nahe an die gleiche Kühlleistung kommen und so weit kommen könnten“, beschreibt Grossman die verlängerte Kühlperiode. „So etwas bekommt man in der Forschung und man ist wirklich glücklich, weil es einfach so gut funktioniert.“ Wissenschaftler haben Hydrogel schon früher zum Kühlen von Oberflächen verwendet, sagt Grossman, „aber was noch nicht gemacht wurde, ist, darüber ein weiteres Material hinzuzufügen, das einen ganz bestimmten Zweck hat.“

Hydrogel und Aerogel seien zwar nichts Neues, die Kombination auf diese Weise jedoch schon, sagt Kyoo-Chul Kenneth Park, ein Ingenieur an der Northwestern University, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Ich selbst habe noch nie über eine solche Kombination zweier Materialien nachgedacht – deshalb bin ich sehr gespannt auf diese Arbeit.“ Wie Grossman lässt sich Park von Pflanzen und Tieren bei seiner Forschung inspirieren. Da die Kreation durchscheinend ist, ist Park optimistisch, dass sie zur Isolierung von Oberflächen wie Fenstern verwendet werden könnte.

Grossman glaubt, dass die Technologie auf viele Bereiche angewendet werden könnte, die eine passive Kühlung erfordern – was bedeutet, dass keine externe Energie für den Betrieb des Prozesses erforderlich ist. Mögliche Anwendungen umfassen die Isolierung von Lebensmittellagern, medizinischer Versorgung und Gebäuden.

Mary Ann Meador, Ingenieurprofessorin an der University of Akron und ehemalige NASA-Wissenschaftlerin, die nicht an der Arbeit beteiligt war, sagt, ein Hindernis bei der Implementierung dieser Art von Technologie sei die Notwendigkeit, das Hydrogel feucht zu halten. Da Hydrogel seine Kraft aus Wasser bezieht, kühlt das Material die Oberfläche, auf der es sich befindet, nicht mehr, sobald das Wasser verdunstet ist. Während Kamele einfach schwitzen können, um die Feuchtigkeit auf ihrer Haut wieder aufzufüllen, muss das Gel, um nützlich zu sein, regelmäßig mit Wasser aufgeladen werden – ein Problem, an dessen Lösung Grossman und sein Team arbeiten. Wenn ein solches zweischichtiges System beispielsweise mit Regenwasser oder Kondenswasser wiederbelebt werden könnte, könnte seine Kühlleistung endlos sein.

Aufgrund des komplexen Verfahrens zur Herstellung von Aerogel ist es derzeit teurer als andere Isolationsformen auf dem Markt – 1 US-Dollar pro Kubikzentimeter – obwohl Grossman optimistisch ist, dass die Herstellungstechniken die Kosten in Zukunft senken können. Während Hydrogel matschig und flexibel ist, ist herkömmliches Silica-Aerogel starr und zerbrechlich. Die feste Deckschicht stellt eine weitere Hürde bei der Implementierung dieser Technologie in Produkten wie Kleidung oder Gebäudeisolierung dar, da das Material leicht zerbröckelt, obwohl Meador und andere flexible Aerogele herstellen.

Als nächstes arbeitet Grossman daran, eine dritte Schicht auf dem Aerogel zu schaffen, die als Schalter zum Ein- und Ausschalten des Systems fungiert. Bei bestimmten Temperaturen würde die dritte Schicht die Verdunstung ermöglichen, aber bei niedrigeren Temperaturen – wenn keine Kühlung erforderlich ist – würde der Schalter schließen und so unnötigen Wasserverlust verhindern.

Ein Grund dafür, dass bisher niemand daran gedacht hat, Hydrogel und Aerogel zu kombinieren, liegt laut Park vielleicht daran, dass diese Arbeit zwei verschiedene Bereiche der Materialwissenschaft vereint.

„Manchmal müssen wir mentale oder physische Barrieren überwinden, damit wir sehr unterschiedliche Materialien oder Systeme verbinden können. Aber diese Autoren könnten diese Barriere tatsächlich überwinden, indem sie sich von der Natur inspirieren lassen“, sagt Park. „Ich denke, das ist das Schöne an bioinspirierter Forschung.“

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Corryn Wetzel | | MEHR LESEN

Corryn Wetzel ist eine freiberufliche Wissenschaftsjournalistin mit Sitz in Brooklyn. Ihre Arbeiten wurden auch in der Zeitschrift Audubon, National Geographic und anderen veröffentlicht.