Forscher haben einen neuen leichten Schaumstoff aus Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, der bei Verwendung als Helmauskleidung die kinetische Energie eines Aufpralls fast 30-mal besser absorbiert als die derzeit in US-Militärhelmen verwendete Auskleidung. Der Schaum könnte Gehirnerschütterungen bei Militärangehörigen und Sportlern verhindern oder die Wahrscheinlichkeit erheblich verringern.
Schädel-Hirn-Trauma (TBI) ist eine der häufigsten Ursachen für dauerhafte Behinderung und Tod bei Sportlern und Veteranen. Verletzungsstatistiken zeigen, dass die meisten traumatischen Hirnverletzungen (zu denen eine Gehirnerschütterung gehört) mit schrägen Stößen verbunden sind, die das Gehirn sowohl linearer als auch rotierender kinetischer Energie aussetzen und eine Scherung von empfindlichem Hirngewebe verursachen.
Um die Helmwirksamkeit zu verbessern, müssen Helme, die von Militärangehörigen und Sportlern getragen werden, mit einem Polstermaterial ausgestattet sein, das beide Aufprallkräfte begrenzt. Genau das versuchen Forscher der University of Wisconsin-Madison. Um traumatische Hirnverletzungen durch Körper- und Kopfstöße zu verhindern oder zu mildern, entwickelten sie ein neues leichtes Schaumstoffmaterial, das als Helmauskleidung verwendet werden kann.
Ramathasan Thevamaran, korrespondierender Autor der Studie, sagte: „Dieses Material zeigt großes Potenzial, neue Helme wirksamer bei der Verhinderung von Gehirnerschütterungen zu machen.“
In der aktuellen Studie baute Thevamaran auf seiner früheren Forschung zu vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrenschäumen (VACNT) – sorgfältig angeordneten Schichten aus ein Atom dicken Kohlenstoffzylindern – und ihren bemerkenswerten Stoßdämpfungsfähigkeiten auf. Aktuelle Helme versuchen, die Rotationsbewegung zu reduzieren, indem sie beim Aufprall eine Gleitbewegung zwischen dem Kopf des Trägers und dem Helm ermöglichen. Die Forscher sagen jedoch, dass diese Bewegung keine Energie durch Scherung zerstreut und stecken bleiben kann, wenn sie nach einem Aufprall stark zusammengedrückt wird. Im Gegensatz dazu ist ihr neuer Schaumstoff nicht auf eine Gleitschicht angewiesen.
VACNT-Schaum vermeidet diesen Nachteil durch seinen einzigartigen Verformungsmechanismus. Unter Druck unterliegen VACNTs einer fortschreitenden kollektiven Knickung, die von der Nachgiebigkeit bei niedrigen Scherdehnungsniveaus zu einer Versteifungsreaktion bei hohen Dehnungsniveaus ansteigt. Die daraus resultierende Druckknickung entfaltet sich vollständig, sodass der VACNT-Schaum großen Scherbeanspruchungen standhalten kann und beim Entladen wieder in einen nahezu ursprünglichen Zustand zurückkehrt.
Die Forscher fanden heraus, dass bei 25 % Vorkompression die Scherenergiedissipation des Schaums fast 30-mal höher war als bei elastischem Polyurethanschaum ähnlicher Dichte, mit Scherdehnungen von bis zu 50 %.
„Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich VACNT-Schaum sehr gut als Polstermaterial für moderne Schutzhelme, die nicht nur normale Aufprallkräfte dämpfen, sondern auch die bei schrägen Aufprallen erzeugte kinetische Rotationsenergie kontrollieren und so traumatische Hirnverletzungen verhindern“, so die Forscher.
Sie haben zuvor die hervorragenden Wärmeleitfähigkeits- und Diffusionseigenschaften von VACNT-Schaum demonstriert, die es Helmauskleidungen aus Schaumstoff ermöglichen, in heißen Umgebungen kühl zu bleiben. Zusätzlich zur Verwendung in Helmen kann VACNT-Schaum in elektronischen Verpackungen und Systemen zum Schutz vor Stößen und zur Kühlung elektronischer Geräte verwendet werden.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Experimental Mechanics veröffentlicht.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily