Gedruckter Stoff kühlt, erkennt Bewegung und erzeugt Strom

Kleidung schützt uns vor Kälte, Regen und Sonne, doch technisch hat sie sich in den vergangenen Jahrzehnten kaum weiterentwickelt. Smarte Textilien mit Sensoren, Heizfäden oder Kühlfunktion existieren zwar, sie brauchen aber meist mehrere Schichten und aufwendige Elektronik. Forscher:innen der University of Illinois Urbana-Champaign haben nun ein Material entwickelt, das mehrere dieser Aufgaben in einer einzigen gedruckten Schicht vereint.

Ein Nanokomposit mit zwei Talenten

Das Team um Professorin Lili Cai setzt auf ein Nanokomposit aus Zirkoniumdioxid. Der Stoff bringt zwei Eigenschaften mit, die sich gleichzeitig nutzen lassen. Sein hoher Brechungsindex streut Sonnenlicht. Seine dielektrischen Eigenschaften lassen elektrische Ladung entstehen, wenn Haut und Textil Kontakt aufnehmen und wieder verlieren. Die Forscher:innen drucken das Material per Direct Ink Writing, einem extrusionsbasierten 3D-Druckverfahren, in flexible und atmungsaktive Strukturen. Bisherige Ansätze koppeln Kühlung, Sensorik und Energiegewinnung über getrennte Lagen, die jemand zusammenfügen muss. Cai und ihr Team ersetzen diesen Stapel durch ein einziges Material und nennen Sportkleidung als mögliches Einsatzfeld.

Kühler als die Umgebungsluft

Das gedruckte Textil reflektiert 96 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung. Herkömmliche Stoffe schlucken dagegen viel Sonnenwärme und reichen sie an den Körper weiter. Die Emissivität im mittleren Infrarotbereich liegt bei 97 Prozent, das Material strahlt Körperwärme also nach außen ab. In Außentests unter direkter Sonne blieb es 3 bis 6 °C kälter als die umgebende Luft. Zum Vergleich: Menschen nehmen schon 1 °C Unterschied in der Lufttemperatur wahr, der Effekt ist spürbar.

Bewegung wird zum Schaltsignal

Bewegt sich die Person, reibt ihre Haut am Textil und erzeugt triboelektrische Ladung. Laut der Studie in Advanced Science erreicht die Leistungsdichte etwa 47 mW/m², und der Ausgang bleibt über mehr als 30.000 Zyklen stabil. Ein Smartphone lädt das nicht, als Sensorsignal genügt es. Im Demonstrator aktivierte das Signal eine darunterliegende leitfähige Textilschicht, die heizte, sobald die Person in Bewegung kam.

Die Wärme stammt nicht vom Zirkoniumdioxid. Die Heizschicht bringt eigene Elektronik mit, darunter Netzteil, Halbleiterrelais und Arduino-Mikrocontroller. Das Team sieht weitere Einsatzfelder, etwa Nachtwäsche, die bei einer festgelegten Bewegungsmenge Alarm auslöst. Die Studie stammt von Yoon Young Choi, Pranto Karua, Md Salauddin und Lili Cai.

University of Illinois, Urbana-Champaign