Kühlwesten und Dehydrierung
Phasenwechsel-Physik
Wachs und andere nicht-eisbasierten PCM-Materialien haben jedoch erhebliche Nachteile gegenüber Eis. Das Verständnis hierfür erfordert eine kurze Erklärung der Phasenwechselphysik. Die „Schmelzwärme“ bezeichnet die Wärmemenge, die benötigt wird, um einen Feststoff zu schmelzen. Wasser hat eine hohe Schmelzwärme – 79,7 Kalorien pro Gramm (334 Joule pro Gramm). Im Vergleich dazu haben wachsbasierte Materialien typischerweise eine etwa 30 % niedrigere Schmelzwärme (rund 55 Kalorien bzw. 230 Joule pro Gramm).
Während eines Phasenwechsels ändert sich die Temperatur des schmelzenden Materials nicht – z. B. macht die Zufuhr von 79,7 Kalorien zu einem Gramm 0 °C kaltem Eis genau ein Gramm 0 °C kaltes Wasser. Um die Temperatur von festem oder flüssigem Wasser ohne Änderung des Aggregatzustands zu erhöhen, ist deutlich weniger Wärme nötig. Die Wärmemenge, die benötigt wird, um Eis um 1 °C zu erwärmen (bekannt als „spezifische Wärmekapazität“ von Eis), beträgt nur 0,5 Kalorien pro Gramm. Die spezifische Wärmekapazität von flüssigem Wasser liegt bei 1 Kalorie pro Gramm. Zum Vergleich: Die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um ein Gramm 0 °C kaltes Eis in 0 °C kaltes Wasser zu verwandeln, würde flüssiges Wasser fast auf 79,7 °C (etwa 144 °F) erhitzen.
Warum ist das wichtig? Für PCM-Kühlwesten erfolgt nur geringe Kühlung, wenn Eis sich auf Schmelztemperatur erwärmt oder wenn kaltes Wasser nach vollständigem Schmelzen weiter erwärmt wird. Fast die gesamte Wärmeaufnahme erfolgt während des eigentlichen Phasenwechsels beim Schmelzen. Praktisch bedeutet das: PCM-Systeme sollten nach vollständigem Schmelzen ersetzt werden, um die maximale Kühlwirkung zu erzielen. Die INUTEQ PCM Kühlwesten sind einzigartig und können über 50‘000x reaktiviert werden.
Dehydrierung und persönliche Kühlung
Der Rest dieses Artikels konzentriert sich auf die Forschung zur Schweißrate bei Nutzung persönlicher Kühlsysteme. In vielen Studien reduziert das Tragen einer PCM-Weste die Schweißrate um über 20 %. Neben der Vermeidung von Dehydrierung verringert weniger Schwitzen die kardiovaskuläre Belastung, u. a. indem das Blutvolumen erhalten bleibt und weniger Blut von Organen und Muskeln zur Haut zur Thermoregulation umgeleitet werden muss.
Untersuchung der Wirkung von Kühlwesten
Studien zur Wirksamkeit von Kühlwesten beinhalten in der Regel Testpersonen, die sich unter physischer Belastung in einer kontrollierten, heißen Umgebung mit festgelegter Temperatur und Luftfeuchtigkeit befinden (theoretische Studien anhand von Temperatur- und Schmelzwärme-Modellen oder Studien mit Thermo-Mannequins sind ebenfalls üblich).
Die Protokolle körperlicher Belastung variieren. Gehen auf dem Laufband ist üblich, aber die Belastungsstufen unterscheiden sich. Manche Tests beinhalten Pausen, um Arbeits-/Ruhezyklen zu simulieren. Auch stationäre Fahrräder werden verwendet. Tests, die reale Bedingungen nachahmen (z. B. Feuerwehr), beinhalten das Heben von Kisten oder ständiges Treppensteigen. Eine Sicherheitsgrenze für die Körperkerntemperatur von 39 °C ist üblich, um Tests frühzeitig zu beenden und einen Hitzschlag zu vermeiden – was bei intensiven Testprotokollen ohne Kühlweste durchaus realistisch ist.
Zusätzlich zur körperlichen Anstrengung beinhalten Tests oft spezielle Kleidung – von leichter Sportkleidung bis hin zu Uniformen von Militär oder Polizei und im Extremfall Feuerwehr- oder ABC-Schutzanzügen. Dies ermöglicht Untersuchungen der Wirkung von Kühlwesten unter realitätsnahen Bedingungen bzw. unter Schutzkleidung, die die Wärmeabgabe stark behindert.
Zur Bestimmung des Einflusses von Kühlwesten auf Dehydrierung wird üblicherweise das Körpergewicht vor und nach dem Test gemessen – Gewichtsverlust wird als Schweißverlust gewertet. Wenn Wasser konsumiert werden darf, wird auch dies berücksichtigt.
Studienergebnisse
Bei körperlicher Anstrengung liegt die Schweißrate typischerweise bei 1,5 Litern pro Stunde (L/h), bei extremer Belastung in heißen Umgebungen auch über 2,0 L/h. Studien zu PCM-Kühlwesten zeigen Schweißreduktionen von 20–30 %. Ein Übersichtsartikel berichtet über eine durchschnittliche Reduktion von 0,24 Litern pro Stunde – das entspricht etwa einem Viertel einer 1-Quart-Feldflasche oder etwa der Hälfte eines ICEFLASK – pro Stunde.
Einzelstudien untersuchten PCM-Westen unter militärischer Kleidung oder polizeilicher Schutzausrüstung. Eine besonders thermisch belastende Situation ist das Tragen von Chemikalienschutzanzügen; hier wird festgestellt: „Arbeiten in solcher Ausrüstung ist nur für kurze Dauer ohne zusätzliche Kühlung tolerierbar.“ Eine Studie zeigte eine Schweißreduktion von 0,2 L/h – im Einklang mit anderen Studien, aber bemerkenswert, da alle Probanden das Testprotokoll wegen Erschöpfung oder Sicherheitsbedenken vorzeitig abbrechen mussten (Testdauer: 3 Stunden).
Praktischer ist eine Studie der U.S. Navy mit Feuerwehrleuten: 40 Minuten Laufband unter vollständiger Feuerwehrschutzkleidung mit Atemgerät. Beim Tragen einer Kühlweste wurde 27 % weniger Wasser getrunken als ohne – im Schnitt 0,352 Liter weniger, etwa 40 % einer Feldflasche. Die Schweißrate war im Schnitt 20 % niedriger. Eine ähnliche kanadische Studie zeigte bei Feuerwehrkleidung 26 % geringere Schweißrate und 0,53 Liter weniger Wasseraufnahme bei 45 Minuten Boxsteigen (alle 5 Sekunden) und anschließendem 45-minütigem Tragen der Ausrüstung.
Größere Reduktionen treten bei leichter Arbeit über längere Zeit auf. Eine Navy-Studie mit 6-stündigem Gehen unter hoher Temperatur und Luftfeuchte (mit leichter Uniform) zeigte bei „kühleren“ Bedingungen (44 °C) eine Schweißreduktion von 49 %. Alle 14 Probanden beendeten den Test mit Kühlweste, aber nur 5 ohne. Bei höheren Temperaturen (eine Messung bei 56,7 °C) wurde eine Reduktion von 38 % gemessen.
Kühlwesten senken die Schweißrate auch, wenn sie nur vor dem Training (Pre-Cooling) oder in Erholungsphasen getragen werden. Beim Pre-Cooling wird die Kerntemperatur vor Belastung gesenkt, sodass mehr „Puffer“ für Wärmespeicherung entsteht. Da Schwitzen bei einem bestimmten Temperaturschwellenwert ausgelöst wird, führt Pre-Cooling zu längerer schwitzfreier Belastung. (Pre-Cooling wird meist im Leistungssport untersucht.) Eine Studie mit PCM-Westen beim Dehnen, Aufwärmen und Erholen (nicht beim Laufen) zeigte 10–23 % weniger Schweiß und etwas längere Belastungszeit bei 95 % VO₂max.
Grenzen von Kühlwesten
Die Leistungsfähigkeit von Kühlwesten hat Grenzen. In extremen Szenarien erweisen sich PCM-Westen nicht als hochwirksam – z. B. bei sehr intensiver Arbeit mit starker metabolischer Wärmeproduktion und Kleidung, die Wärmeabgabe stark behindert. In solchen Fällen kann die Kühlkapazität überfordert sein.
Ein Beispiel: Ein Bericht des kanadischen Defence and Civil Institute of Environmental Medicine (1991). Protokoll: Laufband mit starker Steigung, danach Heben und Tragen von Kisten (1 Stunde) unter Chemikalienschutzanzug. Die Autoren stellten zwar eine gewisse Schweißreduktion fest, kamen aber zu dem Schluss, dass Kühlwesten „wahrscheinlich nicht genug Wärme abführen können bei diesen Arbeitslasten, besonders in Kombination mit der Wärmeisolation des Schutzanzugs“. Sicherlich korrekt – aber kaum ein extremeres Thermoszenario ist denkbar.
Andere Studien unter extremen Bedingungen zeigten leicht bessere Resultate. In einem Versuch mit PCM-Westen unter ABC-Schutzanzügen (2 Stunden Laufband bei 39,4 °C, moderate Steigung) verbesserten Kühlwesten die Leistung leicht. Im Durchschnitt konnten Probanden mit Kühlwesten etwa 12 Minuten länger durchhalten – aber auch hier war die Belastung letztlich zu hoch für die meisten.
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Über den Autor: Dr. Erik Patton promovierte an der Duke University, wo er zu den Herausforderungen forschte, die steigende Temperaturen für die militärische Ausbildung darstellen. Als Veteran der US-Armee war Erik in zahlreichen extremen Klimazonen im Einsatz – von Wüsten im Südwesten der USA und im Nahen Osten (49 °C) bis hin zu arktischen Bedingungen in Zentralalaska (–41 °C).
