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Foto: Jan Greune

Die Meister der "Sport-Couture"

Für Textilforscher ist der Mensch ein Mangelwesen: Nur in einem kleinen Temperaturbereich funktioniert er klaglos, ist er geschützt vor Leistungseinbrüchen und Krankheit. Daher betreiben Spezialisten einen gewaltigen Aufwand, um mit Hilfe von Windkanal und Klimakammer die optimale Sportlerkleidung zu kreieren

Sam sieht nicht gut aus heute. Unbekleidet und bewegungslos steht er in der mit Edelstahl ausgeschlagenen Klimakammer. Versorgungs- und Datenleitungen führen dort in sein Inneres, wo Menschen ihr Gesicht haben. Sam wird gerade erwärmt, sein Inneres auf die Körpertemperatur eines Menschen gebracht. Im Kontrollraum sitzt Markus Weder. Der Projektleiter für Bekleidungsphysiologie stellt die Luftfeuchtigkeit in der Kammer auf 80 Prozentein, die Temperatur auf 35 Grad. Kurz darauf, alle Zielwerte für den Versuch sind erreicht, marschiert Sam los, eingehüllt in mehrere Schichten Funktionskleidung.

Mit vollem Namen heißt Sam „Sweating Agile Thermal Manikin“, was so viel heißt wie „schwitzende, bewegliche, heizbare Puppe“. Konstruiert haben den lebensgroßen Dummy Textilforscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt in St. Gallen (EMPA). Das Schweizer Institut ist weltweit führend auf dem Gebiet der Textiltechnologie und verfügt eigens über eine Abteilung „Schutz und Wohlbefinden des menschlichen Körpers“. Sam ist der wohl ungewöhnlichste Mitarbeiter des Instituts. Anders als seine menschlichen Kollegen ist er allzeit bereit und absolut berechenbar. Mit Hilfe dieses Maschinenmenschen soll möglichst realitätsnah untersucht werden, wie gut Funktionskleidung den Belastungen des Alltags gewachsen ist.


Eine Haut aus Aluminiumstaub

In seinem Verlies kann Sam nicht nur gehen, sondern auch streppauf steigen und Rad fahren. Dann sickert aus 125 winzigen Düsen – ähnlich wie aus Schweißdrüsen – Feuchtigkeit auf seine „Haut“. Die besteht, um die Wärme der Heizdrähte gleichmäßig zu verteilen, aus einem Gemisch aus Kunststoff und Aluminiumstaub. Ein Schnapsglas voll Flüssigkeit pro Stunde oder vier Liter schwitzt Sam aus, je nach Befehl aus dem Kontrollraum. Und er entwickelt Abwärme, die natürlich stufenlos regelbar ist, je nach Belastung.

Markus Weder schließt die Tür des Kontrollraumes hinter sich und zuckt mit den Schultern: „Sicher hat es Vorteile, mit Sam zu arbeiten, statt immer neue Probanden zu suchen. Aber ich werde es wohl nicht mehr erleben, dass solche Apparate den Versuch am Menschen komplett ersetzen. Dafür ist die Geschichte einfach zu komplex.“

Was Weder „die Geschichte“ nennt, treibt die Menschheit seit Urzeiten um: Die Frage, wie das Körperinnere unter allen Umständen zwischen 37 und 38 Grad warm bleibt. Das ist der Temperaturbereich, in dem der Bioreaktor Mensch optimal funktioniert. Ist die Umgebung heiß, entlassen Millionen Schweißdrüsen bis zu zweieinhalb Liter Wasser pro Stunde in die Umgebung, um Hitze abzuführen. Ist sie kalt, warf sich der Mensch früher ein Fell über die Schultern, heute hüllt er sich in Pullover und Daunenjacke. Im Zuge der Evolution hat sich Homo sapiens alle Klimazonen der Erde erobert.


Der Mensch ist keine geniale Konstruktion

Wer jedoch als Sportler Leistung erbringen will, steht bei der Temperaturregelung vor einem doppelten Problem: Die Kleidung muss Schutz vor Kälte und Regen bieten, gleichzeitig aber die innere Hitze mit Hilfe der Verdunstungskühlung möglichst schnell abführen – als Schweiß. Hochleistunssportler „funktionieren“ zwar bis 40 Grad Kerntemperatur noch einigermaßen klaglos. Doch dann signalisieren auch ihnen körpereigene Hormone unweigerlich Schmerzen und Müdigkeit. „Als Maschine wäre der Mensch keine geniale Konstruktion, denn nur 20 bis 25 Prozent der Energie setzt er in mechanische Leistung um, alles andere in Wärme“, erklärt Weder.

Ein Radfahrer, der im Flachen mit 30 km/h fährt, leistet mechanisch etwa 200 Watt. Gleichzeitig heizt er seine Umgebung mit mindestens 800 Watt auf. Und dabei schwitzt er zur Kühlung bis zu einen Liter Wasser pro Stunde aus. Dennoch kommt es schnell zur Überhitzung im Inneren. Ist die Kleidung dann nass und rast der Radfahrer mit 70 km/h bergab, leitet die Feuchtigkeit Wärme aus dem Körperinneren ab, ohne das neue Wärme produziert wird. Der Rumpf kühlt aus, und der Körper versucht gegenzusteuern, indem er warmes Blut aus Händen und Füßen zur Körpermitte pumpt, um zumindest die Kerntemperatur zu erhalten. Als Folge beginnt der Radfahrer zu frieren. „Die Regulierung ist einerseits ziemlich ausgefuchst“, sagt Weder, „stößt aber andererseits schnell an Grenzen.“

Um sowohl fieberähnliche Kerntemperaturen als auch eiskalte Extremitäten zu verhindern, produziert die Textilindustrie seit den späten 1970er Jahren so genannte Funktionskleidung. Von T-Shirt und Wollpullover unterscheidet sie sich durch einen viel größeren Komfortbereich: Sie unterstützt durch einen dosierten Feuchtigkeitstransport die Haut bei ihren Kühlversuchen und ist möglichst wieder trocken und wärmend, wenn der Mensch Pause macht.

Kunstfasern sind Naturfasern in den meisten Situationen überlegen. Baumwollgewebe vermag zwar die meist geringen Schweißmengen von Büromenschen zu verdampfen, nicht aber den strömenden Schweiß von Sportlern. Denn Naturfasern lagern die Wassermoleküle zunächst ein, während Kunstfasern sie rasch nach außen weiterleiten.

Soldaten in der Arktiskammer

Doch Kunstfaser ist nicht gleich Kunstfaser. Dutzende verschiedener Stoffe, Verarbeitungsweisen und chemische Ausrüstungen haben Textilforscher entwickelt. Einige Fasern sind hydrophil (wasserliebend), andere hydrophob (wasserabstoßend), manche haben hohle Querschnitte, manche sternförmige, es gibt frotteeartige Stoffe, glatte und solche mit Waffelmuster.

Nach zahllosen Versuchen haben die Schweizer Forscher vor allem eine Erkenntnis gewonnen: Von zentraler Bedeutung für Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit ist die richtige Unterwäsche. Doch das eine Material für alle Einsatzzwecke ist noch nicht erfunden, denn es müsste zu unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Zur Kühlung bei intensiver Anstrengung muss die Wäsche den Schweiß auf eine größtmögliche Fläche verteilen und hautnah verdunsten. Bei wechselnden Belastungen im Winter muss der Schweiß dagegen rasch von der Haut weg in die nächste oder übernächste Bekleidungsschicht transportiert werden. 

Wie das am besten gelingen kann, hat die EMPA am Beispiel einer Winterausrüstung für die Schweizer Armee erforscht. Nach Versuchen auf einem unbeweglichen Schwitztorso wurden die ersten Materialkombinationen verworfen. Dann kam der bewegliche Sam zum Einsatz – und wieder erwiesen sich etliche Materialien als unbrauchbar.

In der dritten Projektstufe marschierten, liefen und ruhten verkabelte Soldaten einer Hochgebirgseinheit in der minus fünf Grad kalten Arktiskammer, schließlich auch in den winterlichen Bergen. Immer neue Kombinationen von Kleidungsstücken mussten sich die Soldaten überstreifen, ihre Körpertemperatur wurde aufgezeichnet, das Befinden erfragt. Gleichzeitig zerlegten Markus Weder und seine Kollegen Kleidungsschichten, die sie einem künstlich schwitzenden Hautmodell übergezogen hatten, mittels eines Computertomographen optisch in Zehntelmillimeter dünne Scheiben. So ließ sich der Weg der Körperfeuchtigkeit durch die einzelnen Textilien minutiös verfolgen. Am Ende der Versuchsreihen standen Ordner voller Messwerte, unzählige Temperaturkurven und eine ausgeklügelte, vierschichtige Kunstfaser-Kombination.

Dieser Stoff bot die ideale Verbindung von Kühlung und Wärme. Das war mess- und fühlbar: Die Puppe Sam behielt auch unter wechselnden Bedingungen eine weitgehend konstante Kerntemperatur. Und die Probanden waren begeistert: „Die Soldaten wollten die Sachen am liebsten gleich behalten“, sagt Versuchsleiter René Rossi.

Die Baumwoll-Unterhemden und Wollpullover in den Kleidungskammern der Schweizer Gebirgstruppe hatten damit ausgedient. Heute stapeln sich in den Spinden hydrophile Unterhemden und dünne Pullover aus Polyester, innen hydrophile und außen hydrophobe Fleecepullover sowie eine wind- und wasserdichte aber dampfdurchlässige Jacke.

Die Karriere einer Kabelisolierung

Die Geschichte der Hightech-Textilforschung reicht noch nicht sehr weit zurück. Erst seit 1976 erfüllen Kleidungsstücke die Anforderung zugleich Wind und Wasser abzuhalten und dennoch atmungsaktiv zu sein. In dem Jahr kam ein Material in den Handel, das für viele zum Gattungsbegriff für funktionale Regenkleidung wurde: Gore-Tex. Der Chemiker William Gore hatte dessen physiologische Eigenschaften entdeckt, nachdem das Material schon jahrelang zur Isolierung elektrischer Kabel eingesetzt wurde.

Das Kernstück des Stoffes ist eine wenige Hundertstel Millimeter dünne Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE), auch „Teflon“ genannt. Wird das Material gedehnt, entstehen Poren. Diese Löcher sind so winzig, dass sie flüssiges Wasser abhalten, Dampf jedoch entweichen lassen. Regenjacken wie der absolut dichte „Ostfriesennerz“ verhindern hingegen jegliche Verdunstungskühlung; der Träger erhitzt unter der Jacke, was umso stärkere Schweißausbrüche zur Folge hat – und schließlich zum Frösteln führt.

Allzu große Erwartungen an die vermeintlichen Wunderstoffe dämpfen die Forscher jedoch. Nach hunderten Versuchen mit Dummys und menschlichen Probanden spricht Textilforscher Markus Weder aus, was Verbraucher immer schon geahnt haben: „Man kann einen Läufer nicht dauerhaft gegen Nässe abschirmen.“

Selbst die besten Funktionsstoffe verdunsten unter idealen Bedingungen höchstens 500 Gramm Wasser pro Stunde und Quadratmeter, was etwa der Fläche einer Jacke entspricht. Bei schlechteren Materialien liegen die Werte nur um die 100 Gramm Wasser. Ein Athlet kann unter höchster Anstrengung jedoch bis zu 2500 Gramm Flüssigkeit verlieren.

Für das Schweißaufkommen eines durchschnittlichen Sportlers würde die Durchlässigkeit der Topmaterialien zwar meist ausreichen. Doch ist die optimale Funktion der Kleidung an einige Voraussetzungen geknüpft: ideal wäre ein trockenes, windiges Klima mit etwa fünf Grad Außentemperatur. Denn nur bei einem starken Temperatur- und Feuchtigkeitsgefälle zwischen innen und außen wird der Dampf zügig vom Körper wegtransportiert. Ist es hingegen feuchtwarm und regnet es, bleibt von der Atmungsaktivität kaum etwas übrig. Und allein das Versagen der Imprägnierung infolge von Abrieb oder Waschen verschlechtert die Dampfdurchlässigkeit um über ein Drittel. Zudem müsste die Jacke genau auf die Figur des Träger zugeschnitten sein und die Unterbekleidung ideal zum Klima passen. Voraussetzungen, die zusammen so gut wie nie gleichzeitig gegeben sind.

Schneller mit rauer Oberfläche

Im Hochleistungssport allerdings sollen Textilien noch viel mehr leisten als nur Schweiß abtransportieren. Bei Disziplinen wie Schwimmen, Sprint, Eisschnelllauf oder Radrennen muss der Strömungswiderstand des eigenen Körpers in der Luft beziehungsweise im Wasser überwunden werden – da können Sekundenbruchteile über Sieg oder Niederlage entscheiden.

Insbesondere Profi-Radteams arbeiten intensiv daran, den Fahrtwind zu überlisten. Immerhin ringt der den Athleten bei Tempo 50 im Einzelzeitfahren mehr als 80 Prozent der zu erbringenden Leistung ab. Den Löwenanteil daran hat nicht das Rad sondern der Fahrer. Denn der Mensch ist aerodynamisch ungünstig: Seine wirbelnden Beine, der aufragende Kopf,die fast senkrecht im Wind stehenden Oberarme und Unterschenkel, die Höhlung zwischen Brust und Bein bleiben setzen dem Fahrtwind selbst in geduckter Körperhaltung viel Widerstand entgegen.

Die äußere Form eines Menschen lässt sich nicht verändern – wohl aber seine Oberflächenstruktur. Immerhin schon so weit, dass manche Textilien den Fahrer schneller machen, als er es mit glatt rasierter Haut wäre.

Besonders hohen Aufwand haben die Entwickler der US-Firma Nike betrieben, im Dienste des Teams um den Tour-de-France-Seriensieger Lance Armstrong. Während zahlreicher Stunden im Windkanal erforschten sie die Turbulenzen am Radler-Körper. Dann untersuchten sie 50 Stoffe auf ihre aerodynamischen und technischen Qualitäten. Aus sechs der Stoffe schneiderten sie schließlich einen Zeitfahranzug. Der war außen nicht etwa glatter als die Konkurrenzprodukte, sondern rauer – zumindest dort, wo sich die eingeblasenen Rauchwirbel im Windkanal früh abgelöst hatten, was ein Zeichen für schlechtes Strömungsverhalten ist. Das Prinzip ist schon lange vom Golfball bekannt: dessen Dellen bewirken eine turbulente Schicht direkt an der Oberfläche. Die Hauptströmung jedoch liegt dadurch jedoch länger an und verringert insgesamt den Luftwiderstand.

Den kompletten Anzug aus diesem rauen Stoff zu schneidern, war jedoch nicht sinnvoll, da der Mensch – anders als ein rotierender Golfball – nur mit der Vorderseite im Wind steht. Und so wechseln sich Zonen aus geripptem Stoff mit glatten Bereichen ab, und durchlässiger Netzstoff dient der Kühlung des Athleten. Außerdem legten die Entwickler die Nähte, die bei jeder Kleidung unerwünschte Verwirbelungen produzieren, entweder in ohnehin turbulente Bereiche oder zumindest parallel zur Strömung.

Mit solche maßgeschneiderten Wurstpellen können die Fahrer kaum noch Gehen oder aufrecht Stehen. Doch in Wettkampfposition liegen die Anzüge faltenfrei am Körper. Glaubt man den Tests, machen sie ihre Fahrer auf einer 50-Kilometer-Strecke über eine Minute schneller als ein herkömmliches Trikot. Ein Aufwand, der sich lohnen kann: 1989 gewann der Amerikaner Greg Lemond die Tour de France mit einem Vorsprung von nur acht Sekunden vor dem Zweitplatzierten.

Ähnliche Finessen sind beim Schwimmen üblich – dort imitieren Ganzkörper-Schwimmanzüge die Mikro-Erhebungen der Haifischhaut; winzige raue Stellen sollen im flüssigen Medium schneller machen als glattrasierte Schwimmerhaut.

Umarmt vom Hightech-Pullover

Jenseits aller Körperschweiß-Verhinderungsstrategien und  Hundertstelsekunden-Rettungsversuche etabliert sich derzeit ein weiterer Entwicklungspfad bei Hightech-Textilien. Dabei geht es vor allem um Komfort, um eine Verschmelzung von Textilien und Elektronik. Schlagworte wie „interactive wear“ oder „smart clothing“ stehen für flexible Bedienelemente und in Textilien eingewebte Kabel.

Das ermöglicht etwa Fahrradhosen mit integriertem MP3-Player und in den Stoff eingearbeiteten Bedien-Sensoren auf dem Oberschenkel; Skijacken, auf deren Ärmel sich die Tastatur für ein Mobiltelefon befindet; Unterhemden mit integrierten Elektroden, die wichtige Körperfunktionen wie etwa den Herzschlag überwachen und gegebenenfalls Alarm schlagen können.

Flexible anstelle starrer Tastaturen sind allein noch kein bedeutender Technologiesprung. Doch ein Projekt des internationalen Designerteams „Cute Circuit“ weist womöglich in die Zukunft des „Smart clothing“. Die  Künstler haben in fünfjähriger Arbeit das Hug Shirt entwickelt, ein Umarmungshemd. Es kombiniert textile Elektronik mit Mobiltelefontechnik – und soll Ferngespräche um den körperlichen Kontakt ergänzen. Die Zutaten: zwei Hug-Shirt-Träger, zwei Mobiltelefone.

„Anfang 2005 haben wir erste Umarmungen von Los Angeles nach Rom und zurück geschickt“, sagt die Designerin Francesca Rosella. Das Prinzip funktioniert so: Der Sender umarmte sich zunächst selbst (alternativ kann er sich auch umarmen lassen). Flächige elektronische Bauteile in seinem Hemd registrieren den Druck und die Wärme der Berührung, wandeln diese in elektrische Signale um und versenden sie über ein Mobiltelefon. Beim Empfänger werden die Signale wieder zurückverwandelt, so dass die Elektronik-Pads in seinem Hemd den Druck und die Wärme des Senders nachahmen können.

Eine Art elektronisches Antidepressivum, das mehr sein kann als ein digitaler Gag, wie Rosella glaubt: „Bei den Nutzern denken wir auch an Kinder, die längere Zeit von ihren Eltern getrennt sind oder an alte Menschen, die ihre Angehörigen nicht in der Nähe haben.“

So gut wie nackt

Nüchterne Textilforscher wie die Ingenieure am EMPA in St. Gallen dürften sich wohl nicht sonderlich für die virtuellen Umarmungen interessieren. Doch auch sie wissen, dass Kleidung mehr leistet, als nur den Körper zu temperieren. An einer Blechwand der unterirdischen Arktiskammer hängt ein altes Foto. Es zeigt einen Probanden. Der Mann rennt mit dem Ausdruck höchster Anstrengung auf einem Laufband des Labors, überall mit Sensoren beklebt. „Wir haben damals ein Kleidungsstück mit maximaler Kühlwirkung gesucht“ erklärt Markus Weder, „und wir haben auch eines gefunden: Es ist fast so gut ist wie das“. Seine Hand zeigt auf das Bild. „Aber es wird kulturell eher akzeptiert“, sagt er und lächelt. Der Läufer auf dem Foto ist nackt.

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