Einsatz unter extremen thermischen Bedingungen
Menschen können nur für begrenzte Zeit bei einer normalen Körperkerntemperatur über 37 °C funktionieren. Aufgrund dieser biologischen Grenze hat die Ausdehnung der Arbeitsleistung unter extremen thermischen Bedingungen eine offensichtliche physiologische Komponente. Wird dies nicht gemildert, beeinträchtigt ein unkontrollierter Anstieg der Kerntemperatur nicht nur unsere Arbeitsfähigkeit – er kann tödlich sein. Zusammen mit anderen Faktoren wird ein Hitzschlag klinisch als Körperkerntemperatur über 40 °C definiert, obwohl er auch bei niedrigeren Temperaturen auftreten kann. Weniger schwere (und häufiger auftretende) Hitzebelastung oder Hitzekrämpfe markieren oft den Punkt, an dem eine Person keine Arbeitsleistung mehr aufrechterhalten kann. Die Genesung von Hitzekrankheiten erfordert eine Abkühlphase, bevor eine Anstrengung wieder aufgenommen werden kann, und im Falle eines Hitzeschlags kann eine schnelle Abkühlung den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten.
Leichte Arbeitsbelastung
Kühlwesten verlängerten die Zeit, in der Probanden eine Arbeitsleistung aufrechterhalten konnten, am deutlichsten bei Forschungsprotokollen mit relativ geringen körperlichen Anforderungen. Studien zeigen, dass Arbeitsleistung bis zu – und manchmal mehr als – 100 % länger aufrechterhalten werden kann, wenn Probanden eine Kühlweste tragen. In einer Studie trugen Probanden eine Standardarbeitsuniform und absolvierten eine Reihe von Geh-Ruhe-Zyklen über 6 Stunden unter verschiedenen thermischen Bedingungen. Beim 57 °C-Test konnten Probanden mit Kühlweste durchschnittlich 1,5 Stunden länger arbeiten als solche ohne Kühlweste – sie verdoppelten somit ihre Toleranzzeit.
Die Fähigkeit, länger zu arbeiten, wenn man eine Kühlweste trägt, ist größtenteils auf die reduzierte Anstiegsrate der Körperkerntemperatur zurückzuführen; Kühlwesten wirken als Wärmespeicher, um metabolische Wärme abzuleiten, und unterstützen so die physiologische Fähigkeit des Körpers zur Thermoregulation. Dieser Effekt wurde in einer dritten Studie nachgewiesen, die im Journal of Thermal Biology veröffentlicht wurde. Probanden führten relativ leichte Gehbelastungen in einer Hitzekammer durch. Gemessen mit einem kleinen Thermometer, das vor der Studie geschluckt wurde (ein Gerät, das kontinuierlich die Kerntemperatur aus dem Magen überträgt), hatten Probanden mit Kühlweste am Ende des 2,5-stündigen Tests einen Anstieg der Kerntemperatur von etwa 0,6 °C. Ohne Kühlweste lag der Anstieg näher bei 1,4 °C.
Wie wir in früheren Beiträgen untersucht haben, können Menschen nur überleben, wenn die Kerntemperatur in einem relativ engen Bereich um 37 °C bleibt. Daher ist die ~0,8 °C-Reduktion, die durch das Tragen einer Kühlweste erreicht wird, physiologisch bedeutsam. Angesichts der deutlich längeren Arbeitsdauer bei leichter Anstrengung unter heißen Bedingungen kam ein technischer Bericht von Canadian Defence Research and Development zu dem Schluss, dass ideale militärische Einsatzszenarien für Kühlwesten „leichte Arbeiten“ wie das Bedienen eines Maschinengewehrs vom Kaliber 0,50 sein könnten.
Schwere Arbeitsbelastung
Während klar ist, dass die Toleranzzeit bei leichter Arbeit verlängert wird, zeigen Forschungsergebnisse auch konsequent positive Effekte beim Tragen einer Kühlweste während schwerer Arbeit. Auf Grundlage theoretischer Berechnungen schätzt derselbe kanadische Bericht, dass das Tragen von Kühlwesten eine Verbesserung der Toleranzzeiten um 20–30 % bei körperlicher Anstrengung bewirkt, die vom US-Militär als „mittel“ bis „schwer“ eingestuft wird. Tests mit menschlichen Probanden stützen dieses theoretische Ergebnis, wie wir nun darlegen.
Studien zu Kühlwesten am äußersten Rand der menschlichen thermischen Toleranz konzentrieren sich häufig auf die Wirkung von Westen bei Probanden, die Feuerwehr-, Bombenentschärfungs- und Chemikalienschutzanzüge tragen. In allen drei Szenarien ist die erforderliche Schutzkleidung schwer, sperrig und thermisch einschränkend. Das Arbeiten mit solcher Ausrüstung erfordert größere metabolische Anstrengung, was die thermische Belastung erhöht, während gleichzeitig die Abgabe von Wärme an die Umgebung verhindert wird. In heißen Umgebungen erhöht diese Kombination das Risiko eines Hitzeschlags. Während äußerst anstrengender Arbeit mit restriktiver Schutzkleidung kann das Tragen einer Kühlweste die Toleranzzeit um 10–20 % verlängern.
Sprengstoffräumanzüge (EOD) sind ein weiteres Beispiel für sperrige, schwere und thermisch einschränkende Schutzkleidung. Diese Kombination kann in heißen Umgebungen dazu führen, dass EOD-Techniker schnell überhitzen und ermüden. Eine neuartige Studie bewertete, ob sich die Leistung durch das Tragen einer eisbasierten Kühlweste unter EOD-Anzügen verbessert. Das Testprotokoll war brutal – Gehen in mittlerem Tempo in einem Bombenräumanzug für bis zu eine Stunde bei heißen, feuchten Bedingungen (35 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit). Aus Sicherheitsgründen wurde der Test abgebrochen, wenn die Herzfrequenz eines Probanden 90 % des Maximalwerts überschritt.
Keiner der acht Teilnehmer konnte das Testprotokoll ohne eine Eisweste abschließen. Selbst mit Kühlweste konnte nur ein Teilnehmer den vollen 60-Minuten-Test absolvieren. Alle Probanden zeigten jedoch eine längere Leistungsdauer mit der Kühlweste unter dem EOD-Anzug, mit einer durchschnittlichen Verlängerung um 8 Minuten (~27 % Steigerung). Eine solche bescheidene Steigerung kann bei hochriskanten Aufgaben wie der Bombenentschärfung entscheidend sein.
Chemikalienschutzanzüge stellen in Bezug auf Thermoregulation das schlimmste Szenario dar. Sie sind so konzipiert, dass kein Luftaustausch zwischen dem Träger und der potenziell tödlichen oder toxischen Umgebung stattfindet. Dadurch werden die wichtigsten thermoregulatorischen Mechanismen des Menschen – Schweißverdunstung und konvektive Kühlung – schnell unwirksam. Zusätzlich müssen Träger oft physische Aufgaben wie Dekontaminierung oder Reaktion auf Gefahrgutvorfälle durchführen, was die metabolische Wärmeproduktion erhöht. Der Träger ist im Wesentlichen mit seiner eigenen Abwärme im Anzug gefangen.
Angesichts der Gefahr eines Hitzeschlags beim Tragen solcher Anzüge wurde in mehreren Studien versucht, Kühlmethoden zu untersuchen – einschließlich des Effekts von Kühlwesten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Arbeitsdauer durch Kühlwesten verbessert werden kann, aber aufgrund der enormen Hitzebelastung sind die Verbesserungen meist nur geringfügig. Eine Studie ergab, dass Probanden unter schwerer Belastung im Chemikalienschutzanzug durchschnittlich etwa 5 Minuten länger durchhielten, wenn sie eine eisbasierte Kühlweste trugen.
Eine weniger körperlich belastende Studie mit einem Phasenwechselmaterial, das bei 18 °C schmilzt (also geringere Kühlleistung als Eis), zeigte, dass Soldaten im Chemikalienschutzanzug im Durchschnitt etwa 28 % länger (d. h. 10 Minuten) bei hohem Tempo laufen konnten als ohne Weste. Eine ähnliche Studie mit eisbasierter Weste zeigte eine Arbeitszeitverlängerung um etwa 12 Minuten im Vergleich zur Kontrollgruppe. Kritisch war: Nur 4 von 10 Probanden konnten den vollständigen Test ohne Kühlweste absolvieren – mit Weste hielten hingegen 9 von 10 durch.
Andere Arbeitsbelastungen
Kühlwesten finden auch in überraschenden Bereichen Anwendung, etwa in der Formel 1. Ab diesem Jahr dürfen Fahrer Kühlwesten tragen (allerdings mit zirkulierendem gekühltem Wasser – praktisch nur in festen Umgebungen wie Rennwagen oder Flugzeugen), um die hohen Temperaturen zu bekämpfen, die Fahrer wie Lance Stroll, der beim Rennen in der heißen Hitze Katars „ohnmächtig wurde“, außer Gefecht setzten. Das F1-Kühlsystem wird voraussichtlich ab 2026 verpflichtend.
In manchen Berufen haben Mitarbeiter nur begrenzte Pausen zwischen den Belastungen. Beispielsweise wechseln Gepäckabfertiger zwischen körperlicher Arbeit auf heißem Rollfeld und Erholungsphasen zwischen Flugzeugbewegungen. Ein extremes Beispiel ist eine Studie mit australischen Feuerwehrleuten. Da Feuerwehrleute nach kurzer Pause wieder in den Brandraum zurückkehren müssen, beinhaltete das Protokoll zwei zwanzigminütige simulierte Rettungssuchen in einer 104 °C heißen Kammer, getrennt durch eine zehnminütige Pause.
Die Kerntemperatur der Probanden stieg selbst während der kurzen Pause weiter an und erwartungsgemäß noch höher beim zweiten Durchgang. Die erhöhte Kerntemperatur führte zu Körpertemperaturen nahe den arbeitsmedizinischen Grenzwerten und deutlichen Kraftverlusten im Griff nach dem zweiten Durchgang. Forscher kamen zum Schluss, dass passive Kühlmethoden (also einfaches Ausruhen) nicht ausreichen, um die Kerntemperatur zu senken, und längere Erholungsphasen oder aktive Kühlmethoden nötig sind.
Aktive Kühlmethoden wie das Tragen einer Kühlweste während der Pause sind auch außerhalb der Feuerwehr hilfreich. Zum Beispiel haben Fußballspieler in der Halbzeit 15 Minuten zur Erholung und können während des Spiels keine Weste tragen. Eine Studie zur Regeneration zeigte, dass das sofortige Tragen einer Kühlweste nach Belastung die Wärmespeicherung signifikant reduziert. Die Reduktion war bedeutend: 46 % der gemessenen Körpertemperaturreduktion traten in den ersten 15 Minuten bei Verwendung der Kühlweste auf – gegenüber nur 36 % in der Kontrollgruppe. Ähnliche positive Effekte wurden bei Herzfrequenz, Hauttemperatur und thermischem Empfinden beobachtet.
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Über den Autor: Dr. Erik Patton hat an der Duke University promoviert, wo er zur Herausforderung steigender Temperaturen im militärischen Training forschte. Als Veteran der US-Armee diente Erik in einer Vielzahl extremer Klimazonen – von Wüsten im Südwesten der USA und im Nahen Osten (+49 °C) bis zu arktischen Bedingungen in Zentralalaska (−41 °C).
