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Ein Textil, das kühlt, heizt und Bewegung in Strom verwandelt
Kühlen und Energie gewinnen in einer Schicht: Ein gedrucktes Nanokomposit reflektiert 96 Prozent des Sonnenlichts und blieb in Tests ohne simulierte Körperwärme drei bis sechs Grad unter der Umgebungstemperatur. Gleichzeitig erzeugt es beim Kontakt mit der Haut elektrische Signale aus Bewegung. Diese Signale können eine separat mit Strom versorgte Heizung schalten.
Urbana (U.S.A.). Kleidung, die bei Hitze kühlt und bei Kälte wärmt, wird technisch schnell komplex. Für passive radiative Kühlung muss ein Stoff möglichst viel Sonnenlicht zurückwerfen und zugleich Körperwärme als Infrarotstrahlung abgeben. Elektrische Energiegewinnung aus Bewegung verlangt dagegen gute triboelektrische Eigenschaften, also die Fähigkeit, bei wiederholtem Kontakt und Trennen elektrische Ladung aufzubauen.
Bisher werden diese Funktionen häufig durch mehrere Materiallagen oder gekoppelte Teilsysteme zusammengebracht. Das macht Aufbau und Fertigung aufwendiger. Ein Forschungsteam hat deshalb untersucht, ob sich die optischen und elektrischen Aufgaben in einem einzigen druckbaren Material verbinden lassen.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign um Prof. Lili Cai haben dafür Nanopartikel aus Zirkoniumoxid, kurz ZrO₂, in Polydimethylsiloxan eingebettet. Dieses silikonartige Polymer wird per direktem Tintenschreiben zu einem luftdurchlässigen Fasernetz gedruckt. Das Zirkoniumoxid streut wegen seines hohen Brechungsindex das Sonnenlicht und verstärkt zugleich die dielektrische Polarisation, die für die triboelektrische Ladungserzeugung wichtig ist.
„Wir nutzen das direkte Tintenschreiben, damit das Material in flexible, atmungsaktive Textilstrukturen für tragbare Anwendungen wie zum Beispiel Sportkleidung gedruckt werden kann“, erklärt Prof. Lili Cai.
Die gedruckte Struktur bündelt damit im selben Nanokomposit die für Kühlung und triboelektrische Ladungserzeugung entscheidenden Eigenschaften. Polydimethylsiloxan unterstützt zusätzlich die Abgabe von Wärmestrahlung im mittleren Infrarot. Für den vollständigen Nanogenerator kam später ein leitfähiges Silbergewebe als Elektrode hinzu. Die Wasserdampfdurchlässigkeit des gedruckten Fasernetzes lag in den Versuchen nahe an der von handelsüblicher Baumwolle.
Optisch erreichte das Textil eine solare Reflexion von 96 Prozent und eine Emissivität von 97 Prozent im für die Wärmestrahlung wichtigen mittleren Infrarot. Bei Freilandversuchen ohne simulierte Körperwärme lag seine Temperatur drei bis sechs Grad Celsius unter der Umgebung. Mit einem beheizten Hautsimulator war das Material je nach Messzeit sechs bis zehn Grad Celsius kühler als weiße Baumwolle.
Die Forscher prüften auch die Robustheit der optischen Eigenschaften. Nach fünf und zehn Waschzyklen blieben Reflexion und Emissivität weitgehend erhalten. Das ist ein erster Hinweis auf Belastbarkeit, ersetzt aber noch keine Langzeitprüfung eines fertigen Kleidungsstücks.
Bei wiederholtem Kontakt mit der Haut und anschließender Trennung arbeitet die Kombination aus Nanokomposit und Silbergewebe als triboelektrischer Nanogenerator. Sie erreichte eine Spitzenleistungsdichte von 47 Milliwatt pro Quadratmeter und lieferte über 30.000 Belastungszyklen ein stabiles elektrisches Signal. Beim Klopfen mit der Hand lud das System zudem innerhalb von 60 Sekunden einen kleinen Kondensator auf etwa drei Volt und betrieb damit unter anderem einen Taschenrechner sowie Leuchtdioden.
Am Ellenbogen änderte sich die Ausgangsspannung zudem mit dem Beugewinkel. Damit kann das Textil Bewegungen erfassen und zugleich mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. In den Demonstrationen nutzte das Team diese Impulse außerdem als selbst erzeugtes Steuersignal für eine Joule-Heizung.