Wärmedämmung ist mehr als eine Frage der Dicke: Die Materialwissenschaft hinter Y-Warm

Bei Winterbekleidung wird „dicker“ seit Langem mit „wärmer“ verbunden. Je bauschiger eine Daunenjacke ist, desto wärmer hält sie in der Regel. Und je dicker ein gefütterter Mantel ist, desto besser soll er vor Kälte schützen.

Y-Warm stellt diese verbreitete Annahme infrage. Das flexible Wärmedämmmaterial mit nanoskaliger Struktur ist nur 0,7 mm dick und kann unter vergleichbaren Bedingungen die gefühlte Temperatur um etwa 10 °C erhöhen.

Dünn und dennoch wirksam wärmedämmend: Wie lassen sich diese scheinbar widersprüchlichen Eigenschaften miteinander verbinden?

I. Grundlagen der Wärmedämmung: Wärmeverluste begrenzen

Um das zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die physikalischen Grundlagen der Wärmedämmung.

Der menschliche Körper erzeugt kontinuierlich Wärme. Dämmmaterialien selbst erzeugen keine Wärme. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die Übertragung von Körperwärme an die Umgebung zu verlangsamen. Eine entscheidende Materialeigenschaft ist dabei die Wärmeleitfähigkeit: Je geringer sie ist, desto stärker hemmt das Material die Wärmeübertragung.

Ruhende Luft ist aufgrund ihrer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit ein sehr guter Wärmeisolator. Herkömmliche Dämmmaterialien nutzen diese Eigenschaft. Daunen, Baumwollwatte, Fleece und andere faserbasierte Materialien bilden Strukturen, die große Mengen ruhender Luft einschließen. Diese Luftpolster wirken als thermische Barrieren.

II. Warum herkömmliche Wärmedämmung meist Dicke braucht

Das erklärt auch, warum herkömmliche Dämmmaterialien häufig ein beträchtliches Volumen benötigen.

Damit eine Faserstruktur genügend ruhende Luft einschließen kann, braucht sie ausreichend Bauschvolumen. Eine höhere Dämmleistung zu erzielen, bedeutete deshalb traditionell, die Dämmschicht dicker zu machen.

Dickere Strukturen können jedoch weitere Herausforderungen mit sich bringen. In größeren Hohlräumen kann sich Luft weiterhin bewegen und dadurch die Dämmwirkung verringern. Nimmt ein Material Feuchtigkeit auf, kann seine Wärmeleitfähigkeit deutlich steigen. Zugleich können dickere Schichtaufbauten das Entweichen von Wasserdampf erschweren, den der Körper abgibt.

Herkömmliche Wärmedämmung beruht somit häufig auf Dicke, um Körperwärme zurückzuhalten. Damit können jedoch Nachteile verbunden sein: mehr Volumen und Gewicht, eine geringere Dämmleistung im nassen Zustand und ein weniger effizientes Feuchtigkeitsmanagement.

III. Der Ansatz von Y-Warm: Ruhende Luft in geschlossenen Zellen im Mikrometerbereich

Y-Warm setzt auf einen anderen strukturellen Ansatz.

Statt große Mengen ruhender Luft in einer dicken, bauschigen Faserschicht zu halten, nutzt Y-Warm eine flexible, nanoskalige geschlossenzellige Struktur. Sie schließt ruhende Luft in Poren im Mikrometerbereich ein.

Indem die Luft auf dieser wesentlich kleineren Skala eingeschlossen wird, kann das Material eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten, ohne das für herkömmliche Faserdämmstoffe typische Bauschvolumen zu benötigen.

Ebenso wichtig ist die Flexibilität.

Durch die Auslegung seines Materialsystems verbindet Y-Warm die geschlossenzellige Dämmstruktur mit den mechanischen Eigenschaften, die für praktische Textilanwendungen erforderlich sind. Trotz seiner dünnen, membranartigen Form lässt sich das Material nähen, in der Maschine waschen und in den Aufbau von Kleidungsstücken integrieren.

Damit verändert sich das Verhältnis zwischen Materialdicke und Dämmleistung.

Y-Warm ist nicht deshalb dünn, weil auf Dämmleistung verzichtet wird. Vielmehr ermöglicht eine effizientere Dämmstruktur die geringe Dicke und das niedrige Gewicht.

IV. Mehr als geringe Wärmeleitfähigkeit: Feuchtigkeit steuern, Dämmleistung erhalten

Eine geringe Wärmeleitfähigkeit erklärt, warum auch ein dünnes Material wirksam dämmen kann. Um diese Leistung zu erhalten, muss jedoch ein weiterer entscheidender Faktor berücksichtigt werden: Feuchtigkeit.

Wird ein Dämmmaterial nass, kann Wasser einen Teil der ruhenden Luft in seiner Struktur verdrängen. Da Wasser Wärme wesentlich besser leitet als Luft, kann ein höherer Feuchtigkeitsgehalt die Wärmedämmleistung deutlich verringern.

Das ist einer der Gründe, warum man in feuchter Kleidung im Winter deutlich stärker frieren kann.

Testdaten zufolge enthält Y-Warm hydrophile Gruppen und besitzt eine Wasseraufnahmefähigkeit, die etwa doppelt so hoch ist wie die des im Test verwendeten Standard-Referenzgewebes. Dadurch kann das Material vom Körper abgegebene Feuchtigkeit schnell aufnehmen und weiterleiten.

Auch die Verdunstungsrate ist etwa doppelt so hoch wie die des Referenzgewebes. Nach vollständiger Sättigung mit Wasser kann das Material unter den jeweiligen Testbedingungen in etwa einer Stunde vollständig trocknen.

Die Dämmeffizienz von Y-Warm lässt sich daher aus zwei Perspektiven betrachten: Die geringe Wärmeleitfähigkeit hilft, die Wärmeübertragung zu verringern. Die wasserdampfdurchlässigen und schnelltrocknenden Eigenschaften tragen dazu bei, die Dämmschicht trocken zu halten und feuchtigkeitsbedingte Einbußen der Dämmleistung zu minimieren.

V. Warum war die praktische Umsetzung so schwierig?

Hochporöse Strukturen zur Wärmedämmung zu nutzen, ist kein neues Konzept. Die Herausforderung liegt darin, daraus ein Material zu entwickeln, das für den praktischen Einsatz ausreichend mechanisch belastbar ist.

Eine hohe Porosität kann eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen. Häufig geht dies jedoch zulasten der mechanischen Festigkeit. Aufgrund ihrer Sprödigkeit ließen sich viele nanoporöse Materialien in der Vergangenheit nur schwer biegen, nähen, waschen oder in tragbare Produkte integrieren.

Dieser Zielkonflikt zwischen Dämmleistung und mechanischer Beständigkeit war eine der wesentlichen Hürden für den Einsatz nanoporöser Dämmmaterialien in Textilien.

Das Y-Warm-Team arbeitete acht Jahre daran, die mechanischen Einschränkungen nanoporöser Materialien zu überwinden. Drei technologische Durchbrüche, die weltweit erstmals erzielt wurden, ermöglichten es dem Team, das Konzept in ein flexibles, praxistaugliches Dämmmaterial umzusetzen.

Der Einsatztemperaturbereich von Y-Warm liegt zwischen −50 °C und 150 °C.

VI. Vom Material zum Endprodukt: Wärmedämmung als Systemaufgabe

Eine hohe Materialleistung garantiert nicht automatisch eine ebenso hohe Leistung im fertigen Produkt.

Wie Y-Warm in ein Kleidungsstück oder ein anderes Produkt eingearbeitet wird, kann die Eigenschaften des Materials unmittelbar beeinflussen. Öffentlich zugängliche technische Informationen weisen darauf hin, dass eine zu dichte Steppung den Griff des Materials verändern und das Endprodukt steifer machen kann. Druck bei Temperaturen über 100 °C kann die Rückstellfähigkeit der Porenstruktur beeinträchtigen. Eine vollflächige Verklebung beim Laminieren kann zudem die Atmungsaktivität und das Feuchtigkeitsmanagement beeinträchtigen.

Diese Einschränkungen zeigen: Eine optimale Dämmleistung hängt sowohl vom Material selbst als auch von den nachgelagerten Fertigungsprozessen und der Produktgestaltung ab.

In der Praxis ist Wärmedämmung eine Systemaufgabe. Materialeigenschaften, Schichtaufbau, Steppung, Laminierung, Bekleidungskonstruktion und Fertigungsverfahren müssen aufeinander abgestimmt sein, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Fazit: Wärmeverluste effizienter begrenzen, statt nur die Dicke zu erhöhen

Der traditionelle Ansatz für winterlichen Kälteschutz beginnt sich zu verändern: Der Schwerpunkt verlagert sich vom bloßen Erhöhen der Materialdicke hin zu einer effizienteren Steuerung der Wärmeübertragung.

Die Bedeutung von Y-Warm liegt nicht allein darin, ein nur 0,7 mm dickes Dämmmaterial herzustellen. Entscheidend ist vielmehr der Ansatz, den seine nanoskalige geschlossenzellige Struktur zeigt: die Dämmeffizienz zu verbessern, ohne ausschließlich auf dicke, bauschige Strukturen angewiesen zu sein.

Statt nur zu fragen: „Wie dick muss eine Dämmschicht sein, damit sie warm hält?“, rückt in der Materialwissenschaft zunehmend eine andere Frage in den Vordergrund:

„Wie effizient lassen sich Wärmeverluste bei einer gegebenen Materialdicke begrenzen?“

Y-Warm bietet eine Antwort auf diese Frage – und steht für einen möglichen Wandel in der Entwicklung leichter Wärmedämmmaterialien.