Inspiriert von der Evolution haben Wissenschaftler eine neue Kühltechnologie entwickelt, die dieselbe Methode verwendet, mit der sich Kamele in der Wüste vor Überhitzung schützen.
Kamele (und andere Tiere und auch Menschen) kühlen sich normalerweise durch Schwitzen ab. Wenn die innere Körpertemperatur ansteigt, beginnen Schweißdrüsen in der Haut, Schweiß zu produzieren. Dieses Salzwasser setzt sich auf der Haut ab und der Feuchtigkeitsunterschied zwischen diesem und der trockenen Luft treibt die Verdunstung des Schweißes als Wasserdampf an – wobei Wärme in Form von Energie mitgenommen wird.
Durch die Untersuchung dieses Prozesses entwickelten die Wissenschaftler eine Technologie, die die Arbeit von Schweißdrüsen mit einem Hydrogel nachahmte, einem gelartigen Material, das große Mengen Wasser aufnehmen kann. Eine einzelne Schicht dieses Hydrogels konnte etwas kühl halten, indem es sein Wasser im Laufe von etwa 40 Stunden abgab, danach musste es mit mehr „Schweiß“ versorgt werden.
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Um die Kühldauer des Hydrogels zu verlängern, wandten sich die Wissenschaftler erneut dem Kamel zu.
„Zoologen haben berichtet, dass ein geschorenes Kamel den Wasserverbrauch zum Schwitzen tagsüber um 50 Prozent erhöhen muss im Vergleich zu einem Kamel mit natürlichem Wollmantel“, sagte Jeffrey Grossman, einer der Hauptautoren der Studie. Das bedeutet, dass das Tier mit weniger Fell mehr Schweiß produzieren musste, um kühl zu bleiben. Ein Hydrogel ohne Isolierschicht würde also schneller Wasser verlieren als eines mit etwas, das als „Fell“ fungiert.
Dazu entwarfen Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology eine Aerogelschicht, die den Wasserdampf durchlässt.
„Indem wir das duale Fell-/Drüsensystem bei Kamelen nachahmten, haben wir eine Doppelschicht zur Verdunstungsisolierung entwickelt, die wie beim Kamel eine erhebliche Verlängerung der passiven Verdunstungskühlzeit bei gleicher Menge an Wasserverbrauch ermöglicht“, sagte Grossman.
Das zweischichtige Design des Teams hielt eine Probe 200 Stunden lang auf einer um 7 °C niedrigeren Temperatur als ihre Umgebung, bevor sie mit mehr Wasser „aufgeladen“ werden musste, fünfmal länger als bei einem einschichtigen Ansatz.
Im Gegensatz zu Kühlsystemen, die auf Klimaanlagen und Kühlschränken basieren, verbraucht die Hydrogel-Aerogel-Technologie keinen Strom, wodurch sie besser für die Millionen von Menschen auf der ganzen Welt geeignet ist, die keinen Zugang zu Elektrizität haben.
„Wir möchten, dass dies eine grüne Technologie ist“, sagte der Hauptautor der Studie, Zhengmao Lu. „Sobald das Hydrogel vollständig getrocknet [aus] ist, kann es in Wasser (nicht unbedingt sauberes Wasser) getaucht werden und wird für mehrere Kühlzyklen wieder hydratisiert und funktionsfähig.“
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Die Herstellungskosten der Technologie seien derzeit jedoch der Engpass für die Skalierbarkeit, sagte Grossman. Aber angesichts der Nachricht, dass der Pfizer/BioNTech-Coronavirus-Impfstoff möglicherweise bei -70 °C gelagert werden muss, ist eine kostengünstige, tragbare Kühltechnologie gefragt.
„Eine wichtige Sache, die wir in dieser Arbeit lernen, ist der Vorteil des Hinzufügens einer porösen Isolierung, die meiner Meinung nach auch für die Temperaturregulierung des Coronavirus-Impfstoffs nützlich sein kann“, sagte Lu. „Zugegeben, mit unserem aktuellen Materialsatz, bei dem der Hauptmechanismus zur Wärmeabfuhr immer noch die Wasserverdampfung ist, ist es unwahrscheinlich, dass so niedrige Temperaturen erreicht werden.“
Unter Verwendung ihrer Entdeckung sagt Lu, dass eine Lösung für das Problem darin bestehen könnte, Trockeneis mit poröser Isolierung zu kombinieren.
„Zum Teil machen die Leute das schon mit bestehenden Trockeneispaketen. Um noch niedrigere Temperaturen als diese zu erreichen, müssen wir das Design des Isolationsmaterials optimieren. Zum jetzigen Zeitpunkt gehen wir davon aus, dass dies einige Jahre dauern wird.“