Innovation verändert die Welt
Daunenjacken, Jacken mit synthetischer Füllung, Fleecebekleidung und viele andere Arten von Winterbekleidung nutzen ein gemeinsames Prinzip: Sie halten relativ ruhende Luft in ihrer Struktur fest und verlangsamen dadurch den Wärmeverlust.
Doch hält Kleidung automatisch besser warm, wenn sie mehr Luft enthält?
Nicht unbedingt.
Luft hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Damit diese Eigenschaft wirksam zur Dämmung beiträgt, muss ihre Bewegung jedoch ausreichend eingeschränkt werden. Kann Luft frei zirkulieren oder sich mit kälterer Außenluft austauschen, können die Wärmeverluste deutlich zunehmen.
Die Herausforderung besteht deshalb nicht nur darin, möglichst viel Luft einzuschließen. Entscheidend ist eine Material- und Bekleidungsstruktur, die Luftbewegungen begrenzt und die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung reduziert.
1. Warum trägt Luft zur Wärmedämmung bei?
Bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Luft etwa 0,026 W/(m·K).
Dieser Wert liegt unter dem vieler gängiger Feststoffe und deutlich unter dem von flüssigem Wasser.
Deshalb enthalten zahlreiche Dämmmaterialien – von Daunen und synthetischen Füllungen bis hin zu Schaumstoffen und anderen porösen Materialien – große Anteile an Luft oder anderen Gasen.
Um deren geringe Wärmeleitfähigkeit wirksam zu nutzen, ist jedoch eine Voraussetzung wichtig:
Die Bewegung des Gases muss ausreichend begrenzt sein.
In größeren Lufträumen kann sich unter geeigneten Bedingungen eine durch Auftrieb verursachte Strömung bilden. Diese natürliche Konvektion erhöht den Wärmetransport.
Dringt Außenluft durch die Dämmschicht oder durch Öffnungen in der Kleidung ein und verdrängt die warme Luft im Inneren, können zusätzliche Wärmeverluste entstehen.
Der Beitrag der Luft zur Dämmung hängt somit nicht nur von ihrer Menge ab, sondern auch davon, wie die luftgefüllten Räume aufgebaut sind und wie stark die Luftbewegung eingeschränkt wird.
2. Bewegte Luft hat nicht automatisch eine höhere Wärmeleitfähigkeit
Manchmal heißt es: „Ruhende Luft isoliert, bewegte Luft leitet Wärme.“
Diese Aussage ist anschaulich, beschreibt die physikalischen Vorgänge aber nicht präzise.
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck steigt die Wärmeleitfähigkeit von Luft nicht allein deshalb an, weil sie sich bewegt. Durch die Bewegung kommt vielmehr ein zusätzlicher Mechanismus des Wärmetransports hinzu:
Konvektion.
Ein Ventilator veranschaulicht diesen Unterschied.
Er senkt normalerweise nicht unmittelbar die Temperatur der Umgebungsluft. Stattdessen verstärkt die Luftströmung den konvektiven Wärmeaustausch zwischen Haut und Luft und fördert die Verdunstung von Schweiß. Unter geeigneten Umgebungsbedingungen empfinden wir dies als kühlend.
Dasselbe Prinzip gilt für Kleidung.
Kann Luft innerhalb einer Dämmschicht frei zirkulieren oder durch sie hindurchströmen, entsteht zusätzlicher Wärmetransport. Dadurch kann die Dämmwirkung abnehmen.
3. Warum halten Daunen und synthetische Füllungen warm?
Daunen und synthetische Füllungen erzeugen selbst keine Wärme.
Ihre Hauptaufgabe besteht darin, eine bauschige Struktur mit geringer Dichte und ausreichender Dicke zu bilden, in der viel relativ ruhende Luft eingeschlossen ist.
Daunenflocken oder Fasern verteilen die Luft auf viele kleine Zwischenräume und begrenzen dadurch großräumige Luftbewegungen. So entsteht ein Wärmewiderstand zwischen dem warmen Körper und der kälteren Umgebung.
Vereinfacht gilt bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen:
Je weniger sich die Luft bewegt und je größer die wirksame Dicke der Dämmschicht ist, desto höher ist in der Regel der Wärmewiderstand.
Deshalb sind das Bauschvermögen und der Erhalt der bauschigen Struktur für herkömmliche Füllmaterialien so wichtig.
Eine solche Struktur kann mit vergleichsweise wenig Material eine dicke Dämmschicht bilden.
4. Warum sind Daunen so effektiv?
Daunen besitzen eine komplexe dreidimensionale Struktur.
Von einem kleinen Zentrum gehen zahlreiche feine Verästelungen aus. Diese greifen ineinander und bilden eine lockere Struktur, die mit geringer Materialmasse ein großes Luftvolumen halten kann.
Hochwertige Daunen bieten dadurch einen wichtigen Vorteil:
Viel Bauschvolumen bei geringem Gewicht.
Eine geringe Menge Daunen kann somit eine relativ dicke Dämmschicht bilden, in der die Bewegung der eingeschlossenen Luft begrenzt ist.
Deshalb gehören Daunen zu den traditionellen Füllmaterialien, die eine hohe Dämmwirkung bei geringem Gewicht ermöglichen – etwa in Winterbekleidung und Schlafsäcken.
5. Warum unterscheiden sich synthetische Füllungen von Daunen?
Auch moderne synthetische Füllungen können eine hohe Dämmleistung bieten.
Hersteller nutzen feine Fasern, Hohlfasern, gekräuselte Fasern, mehrlagige Aufbauten und weitere konstruktive Ansätze, um eine bauschige Struktur zu erzeugen und Luftbewegungen zu begrenzen.
Die Form und Anordnung synthetischer Fasern unterscheiden sich jedoch von der Struktur natürlicher Daunen. Daraus können Unterschiede in folgenden Eigenschaften entstehen:
Bauschvolumen im Verhältnis zum Gewicht;
Komprimierbarkeit;
Rückstellvermögen nach der Kompression;
Verhalten bei Feuchtigkeit;
Dauerhaftigkeit;
Trocknungsgeschwindigkeit;
Erhalt der Dämmleistung unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
Hochwertige Daunen werden besonders dafür geschätzt, bei geringem Gewicht ein großes Bauschvolumen zu erreichen. Synthetische Füllungen können dagegen je nach Material und Produktgestaltung Vorteile beim Verhalten in feuchtem Zustand, bei der Trocknung, bei den Kosten, beim Pflegeaufwand oder bei bestimmten mechanischen Anforderungen bieten.
Die entscheidende Frage lautet daher nicht einfach, welches Material „besser“ ist, sondern:
Welche Materialstruktur erreicht und erhält unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen den erforderlichen Wärmewiderstand – bei angemessenem Gewicht, geeigneter Dicke und ausreichender Dauerhaftigkeit?
6. Bedeutet mehr eingeschlossene Luft immer eine bessere Dämmung?
Nein.
Ein größeres Luftvolumen allein garantiert keine bessere Dämmwirkung. Die Leistung einer luftgefüllten Struktur hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:
Dicke der Dämmschicht;
Größe und Form der Lufträume;
Begrenzung der Luftbewegung im Inneren;
Luftdurchlässigkeit von Material und fertigem Produkt;
Struktur des umgebenden Feststoffs;
Temperaturunterschied und Ausrichtung der Dämmschicht;
Grad der Kompression;
Feuchtigkeitsgehalt;
äußere Windverhältnisse.
Die Aufteilung der Luft in ausreichend kleine Räume kann die natürliche Konvektion unterdrücken. Geschlossene Strukturen begrenzen außerdem den Austausch mit der Außenluft.
Ein geschlossener Raum ist jedoch nicht automatisch frei von Konvektion. Ist er groß genug und sind die Temperaturbedingungen entsprechend, kann auch darin eine Luftzirkulation entstehen.
Wirksame Dämmstoffe schließen deshalb nicht nur Luft ein. Sie beeinflussen auch:
Wo sich die Luft befindet und wie frei sie sich bewegen kann.
7. Hält eng anliegende Kleidung immer besser warm?
Nicht unbedingt.
Passform, Dicke der Dämmschicht und Luftaustausch müssen aufeinander abgestimmt sein.
Ist Kleidung so weit, dass kalte Außenluft eindringt und warme Luft entweicht, kann dieser Luftaustausch die Wärmeverluste erhöhen.
Zu enge Kleidung kann dagegen Daunen oder synthetische Füllungen zusammendrücken. Dadurch nimmt die wirksame Dicke der Dämmschicht ab, was die Dämmleistung verringern kann.
Auch eine relativ ruhende Luftschicht zwischen Körper und Kleidung trägt zum Wärmewiderstand bei.
Das Ziel besteht daher nicht darin, sämtliche Luftzwischenräume zu beseitigen, sondern:
Eine stabile Dämmschicht zu erhalten und unkontrollierten Luftaustausch zu begrenzen.
Deshalb beeinflussen neben der Passform auch Ärmelabschlüsse, Kragen, Saum, Reißverschlüsse, Nähte und Obermaterialien die tatsächliche Wärmeleistung beim Tragen.
8. Was bestimmt die Wärmeleistung von Kleidung?
Die Wärmeleistung hängt nicht von einem einzelnen Faktor ab. Ein Bekleidungssystem muss mehrere Vorgänge gleichzeitig berücksichtigen.
Wärmeleitung
Wärme wird durch Fasern, Luft und andere Materialien von wärmeren zu kälteren Bereichen übertragen.
Konvektion und Luftaustausch
Bewegte Luft transportiert Wärme innerhalb der Kleidung, an ihrer Oberfläche und zwischen dem Inneren der Kleidung und der Umgebung.
Wärmestrahlung
Körper, Kleidung und umgebende Oberflächen stehen in ständigem Strahlungsaustausch.
Verdunstung
Die Verdunstung von Wasser benötigt Wärme. Wie viel Schweiß verdunstet und wo dies geschieht, beeinflusst die Wärmeabgabe des Körpers und den Tragekomfort.
Wirksame Winterbekleidung muss deshalb mehr leisten, als nur Luft einzuschließen:
Sie muss unter realen Tragebedingungen unerwünschte Wärmeverluste begrenzen und zugleich Luftbewegung und Feuchtigkeit regulieren.
9. Von bauschigen Füllungen zu gezielt entwickelten porösen Strukturen
Daunen und herkömmliche synthetische Füllungen bilden durch ihre bauschige Struktur eine wirksame Dämmschicht. Zwischen den Fasern wird Luft in kleinen, relativ ruhigen Bereichen gehalten.
Gezielt entwickelte poröse Materialien bieten einen anderen konstruktiven Ansatz: Durch die Gestaltung von Poren und Zellwänden lassen sich Gasbewegungen begrenzen und Wärmetransportwege beeinflussen.
Der Schwerpunkt der Entwicklung verlagert sich damit von der Frage:
„Wie viel Luft können wir einschließen?“
hin zur Frage:
„Wie wirksam können wir die Wärmeübertragung bei einer gegebenen Materialdicke begrenzen?“
Beide Ansätze folgen denselben physikalischen Gesetzen, nutzen dafür jedoch unterschiedliche Materialstrukturen.
10. Wie setzt Y-Warm diesen Ansatz um?
Y-Warm ist nicht in erster Linie auf eine bauschige Füllstruktur angewiesen, wie sie für Daunen oder herkömmliche synthetische Füllungen typisch ist.
Stattdessen nutzt Y-Warm eine gezielt entwickelte, geschlossenzellige Struktur mit Zellwänden von nanometrischer Dicke.
Bei einer Materialdicke von etwa 1 mm kann das Materialvolumen unter einer Fläche von einem Quadratzentimeter mehr als 10.000 voneinander getrennte Zellen im Mikrometerbereich enthalten.
Diese geschlossenen Zellen unterteilen das Gas in viele kleine, voneinander getrennte Räume. Dadurch werden großräumige Gasbewegungen und der direkte Gasaustausch zwischen den Zellen begrenzt.
Die dünnen Zellwände können zusammen mit der gesamten Strukturgestaltung dazu beitragen, den Feststoffanteil gering zu halten und Wärmeleitpfade im Feststoff zu begrenzen.
Das Ziel besteht somit nicht allein darin, möglichst viel Luft einzuschließen, sondern:
Die Gasräume und das Feststoffgerüst so zu gestalten, dass die Wärmeübertragung innerhalb einer ultradünnen Materialschicht reduziert wird.
Fazit: Eingeschlossene Luft ist nur ein Teil der Wärmedämmung
Luft ist ein wichtiger Bestandteil vieler Dämmmaterialien. Ihre geringe Wärmeleitfähigkeit und die Begrenzung ihrer Bewegung tragen dazu bei, den Wärmetransport zu reduzieren.
Doch ein hoher Luftanteil allein garantiert noch keine gute Dämmwirkung.
Entscheidend sind die Struktur der luftgefüllten Räume, die Bewegungsfreiheit der Luft, die wirksame Dicke der Dämmschicht und das Zusammenspiel von Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung, Feuchtigkeit und äußeren Luftströmungen.
Daunen und herkömmliche synthetische Füllungen erzeugen die erforderliche Dämmstärke vor allem durch ihre bauschige Struktur. Gezielt entwickelte poröse Materialien beeinflussen den Wärmetransport durch die Gestaltung ihrer Poren und ihres Feststoffgerüsts.
Das gemeinsame Prinzip lautet:
Wirksame Wärmedämmung entsteht nicht dadurch, dass möglichst viel Luft eingeschlossen wird, sondern dadurch, dass der Wärmetransport durch die Luft und die umgebende Materialstruktur begrenzt wird.
Für Y-Warm bedeutet das, geschlossene Zellen und nanometrisch dünne Zellwände zu nutzen, um innerhalb einer ultradünnen Materialschicht zu dämmen, ohne sich hauptsächlich auf eine voluminöse Füllstruktur zu stützen.
