Intelligentes Gewebe wandelt Wärme in Strom um

Stellen Sie sich Kleidung vor, die Ihre Temperatur überwacht, Ihre Aktivität verfolgt oder Sie ganz von selbst warm hält, ohne dass eine externe Stromquelle benötigt wird.

Nun, all das und noch mehr wird dank der umfangreichen Forschung und Entwicklung an der Schnittstelle von Technologie und Kleidung schnell zur Realität.

Technologischer Fortschritt verändert unser Leben, indem er unsere Handys und Haushaltsgeräte intelligenter macht. Jetzt werden sogar unsere Kleidungsstücke smart und eröffnen Möglichkeiten, die den Weg für eine spannende und nachhaltigere Zukunft ebnen.

Der globale Markt für intelligente Textilien wird bereits mit 4,1 Mrd. $ bewertet und soll bis 2032 auf 24,5 Mrd. $ steigen. Interessanterweise macht die Energiegewinnung derzeit den größten Anteil dieses Marktes aus, laut Markets and Markets.

Energiegewinnung wandelt Umgebungsenergie in elektrische Energie um, um autonome elektronische Geräte zu betreiben. Diese Energie kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden, darunter mechanische und thermische. Um energieerzeugende Textilien zu schaffen, werden aktive Materialien in der Regel auf die Oberfläche des Textils aufgebracht oder in das Gewebe eingewoben bzw. eingestickt.

Solche intelligenten Stoffe können potenziell als Alternative zu Batterien genutzt werden, die aufgrund ihrer begrenzten Energiemenge aufgeladen oder periodisch ausgetauscht werden müssen. In tragbaren Textilanwendungen sind Batterien oft starre, sperrige Gegenstände, die vor dem Waschen entfernt werden müssen und daher Verbesserungen benötigen.

Obwohl sich dieser Sektor noch in einem relativ frühen Stadium befindet, wächst er schnell, angetrieben durch eine Kombination von Faktoren wie technologische Fortschritte, Design, Verbrauchernachfrage, Miniaturisierung und staatliche Richtlinien.

Jetzt werfen wir einen Blick auf die spannenden Innovationen in diesem Bereich und die buchstäbliche Kraft der Kleidung, die wir tragen!

Intelligentes Gewebe zur Umwandlung von Körperwärme in Strom

Eine der neuesten und elektrisierendsten Entwicklungen wurde von Forschern der University of Waterloo in Zusammenarbeit mit einer führenden Institution für Textilwissenschaft und -technik an der Jiangnan University erzielt, die ein intelligentes Gewebe entwickelten, das thermische Energie aus dem Körper und Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt.

Dieses intelligente Gewebe kann Strom erzeugen, Gesundheitsmetriken beobachten und körperliche Aktivität verfolgen. Diese Sensoren ermöglichen es dem Gewebe, Temperaturänderungen zu erkennen und Druck, Belastung sowie chemische Zusammensetzung zu überwachen.

Eine vielversprechende Anwendung dieses Gewebes sind intelligente Gesichtsmasken, die die Temperatur und Atemrate verfolgen sowie Chemikalien erkennen können, um Zustände wie Lungenkrebs und Viren zu identifizieren. Laut Yuning Li, Direktor des Printable Electronic Materials Lab an der Waterloo und Professor in der Abteilung für Chemieingenieurwesen:

“Wir haben ein Gewebematerial mit multifunktionalen Sensorkapazitäten und selbstversorgendem Potenzial entwickelt, das uns praktischen Anwendungen für intelligente Stoffe näherbringt.”

Das vom Team entwickelte Gewebe ist flexibel, MXene-basiert, thermoelektrisch und kann Dehnungsreize sowie Temperatur präzise bestimmen. Um dies zu erreichen, entwickelte das Team eine Schicht aus klebrigem Polydopamin (PDA) auf der Oberfläche des Nylongewebes, die die MXene-Bindung durch Wasserstoffbrücken erleichtert.

MXene zieht viel Aufmerksamkeit auf sich wegen seiner seltenen Kombination von Eigenschaften wie Schichtstruktur, Flexibilität, großer Oberfläche, elektrischer und metallischer Leitfähigkeit, Biokompatibilität, Hydrophilie, Größeneinstellbarkeit und reicher Oberflächenchemie. Die Studie stellte fest:

“Das resultierende MXene-basierte thermoelektrische Gewebe zeigt eine herausragende Temperaturerkennungsfähigkeit und zyklische Stabilität, während es zudem exzellente Empfindlichkeit, schnelle Reaktionszeit (60 ms) und bemerkenswerte Haltbarkeit beim Dehnungssensor (3200 Zyklen) liefert.”

Das neuartige Gewebe ist nicht nur kostengünstiger, langlebiger und stabiler als andere auf dem Markt erhältliche Stoffe, sondern im Gegensatz zu aktuellen tragbaren Geräten, die häufiges Aufladen benötigen, kann es ohne externe Stromquelle betrieben werden. Auf diese Weise zeigt die Forschung das enorme Potenzial, leitfähige Polymere und MXene mit moderner Gewebetechnologie zu integrieren, um intelligente Stoffe voranzutreiben.

Angesichts der verschiedenen Fortschritte in der Technologie, einschließlich KI, die sich schnell weiterentwickelt, um fortschrittliche Signalverarbeitung für Gesundheitsüberwachung sowie die Konservierung von Lebensmitteln und Pharmazeutika zu bieten, argumentierte Li, dass all diese Fortschritte auf einer ‘umfassenden Datenerfassung’ beruhen, die herkömmliche Sensoren – oft sperrig, teuer und unhandlich – nicht leisten können. Dies macht gedruckte Sensoren, die in intelligente Stoffe eingebettet sind, ideal für kontinuierliche Datenerfassung und -überwachung, fügte Li hinzu.

Während dieses innovative Gewebe einen bedeutenden Fortschritt bei der Realisierbarkeit dieser Anwendungen markiert, werden die Forscher nun darauf abzielen, die Fähigkeiten des Gewebes weiter zu verbessern und es in elektronische Systeme zu integrieren. Eine Smartphone‑App könnte ebenfalls Teil dieser zukünftigen Entwicklung sein, um Daten vom Gewebe an Gesundheitsfachkräfte für Echtzeit‑, nicht‑invasive Gesundheitsüberwachung zu übertragen.

Pionierhafte Stoffe der Zukunft

Fortschritte bei smarter Kleidung geschehen seit einiger Zeit rasant. Im Jahr 2016 entwickelten Forscher des Georgia Institute of Technology in Atlanta erstellten ein Mikro‑Kabel‑Stromgewebe, das Energie aus Sonnenlicht und Bewegung gewinnen kann.

Dafür webten die Wissenschaftler Fäden mit dünnen, faserbasierten Solarzellen und triboelektrischen Nanogeneratoren. Das resultierende intelligente Gewebe hatte eine 320 µm dicke Einzelschicht und konnte in Zelte, Vorhänge und verschiedene Kleidungsstücke integriert werden. Laut Studie konnte das Textil ein Handy direkt aufladen und kontinuierlich eine elektronische Uhr betreiben.

Wissenschaftler der NTU Singapore entwickelten ebenfalls erfolgreich ein ‘Gewebe’, das Körperbewegungen in Strom umwandelt. Um dieses dehnbare und wasserdichte Gewebe zu schaffen, nutzten die Wissenschaftler ein Polymer, das mechanische Kraft, wie Drücken oder Zusammendrücken, in elektrische Energie umwandelt. Das Gewebe hat eine Basisschicht aus dehnbarem Spandex und ist zudem mit einem gummiartigen Material integriert, das es flexibel, stark und wasserdicht macht.

In einem Experiment zeigte das Team, dass das Antippen eines kleinen Stücks dieses Gewebes elektrische Energie erzeugte, die effektiv einhundert LEDs zum Leuchten brachte. Auch Waschen, Zerknittern oder Falten des Gewebes beeinträchtigte die Leistung nicht und konnte einen stabilen elektrischen Ausgang bis zu fünf Monate aufrechterhalten.

“Wir denken, es könnte in T‑Shirts gewebt oder in Schuhsohlen integriert werden, um Energie aus den kleinsten Bewegungen des Körpers zu sammeln und Strom zu mobilen Geräten zu leiten.”

– Studienleiter Lee Pooi See, Materialwissenschaftler und Associate Provost Professor an der NTU

Obwohl intelligente Stoffe Gegenstand umfangreicher Forschung und Entwicklung sind, bleibt ihre Kosteneffizienz eine große Herausforderung. Ihre mangelnde Praktikabilität kann ebenfalls ein Problem darstellen.

Um diese Probleme anzugehen, haben entwickelt next‑Generation‑Smart‑Textilien, die kostengünstig mit denselben Maschinen wie herkömmliche Kleidung hergestellt werden können. Die Forscher zeigten zunächst, dass das Beschichten von Fasern mit dehnbaren Materialien mit konventionellen Webprozessen kompatibel sein kann. Jetzt können Smart‑Textilien auch mit automatisierten Prozessen hergestellt werden, ohne Beschränkungen hinsichtlich Größe oder Form. 

Dies ist erst der Anfang, da das Interesse an Smart‑Textilien zu vielen weiteren interessanten Innovationen führt. Zum Beispiel hat dieser Fortschritt zur Entwicklung eines tragbaren Geräts geführt, das in Stoff eingebettet oder als Jacke getragen werden kann. Es kann den Träger vor wärmeerkennenden Sensoren, wie Nachtsichtgeräten, unabhängig vom Wetter tarnen.

Während die Oberfläche des Geräts sich schnell erwärmt oder abkühlt, um sich an die Umgebungstemperatur anzupassen und die Körperwärme des Trägers zu verbergen, bleibt das Innere auf der gleichen Temperatur wie menschliche Haut.

Unterdessen entwickelten Forscher der National University of Singapore ein feuchtigkeitsgetriebenes Stromerzeugungsgerät (MEG) aus Stoff, Meersalz, Kohle‑Tinte und einem speziellen wasserabsorbierenden Gel. Indem ein Ende des Stoffes stets nass und das andere trocken gehalten wurde, erzeugte der kohlenstoffbeschichtete Stoff einen elektrischen Strom, der über 150 Stunden Strom produzieren konnte. Im Wesentlichen als Batterie fungierend, lieferte er eine höhere elektrische Leistung als eine herkömmliche AA‑Batterie und zeigte das Potenzial, Alltags‑Elektronik zu betreiben.

Das Konzept des MEG‑Geräts basiert auf der Fähigkeit verschiedener Materialien, Strom aus der Interaktion mit Feuchtigkeit in der Luft zu erzeugen. Dies demonstriert seine Eignung für verschiedene praktische Anwendungen, wie tragbare Elektronik und Informationsspeichergeräte.

Ingenieure haben auch Transistoren und elektronische Geräte aus Garn hergestellt. Eine solche Forschung beinhaltete das Einweben dünner Fäden in Stoff, um elektronische Geräte zu schaffen, die auf der Haut getragen oder chirurgisch für diagnostische Überwachung implantiert werden können. 

Die ersten fadenbasierten Transistoren (TBTs) wurden mit fadenbasierten Sensoren kombiniert, um die Schaffung vollständig flexibler, multiplexierter Geräte zu ermöglichen. Der TBT hier beinhaltete das Beschichten eines Leinenfadens mit Kohlenstoffnanoröhren, um eine Halbleiteroberfläche für den Elektronenfluss zu erzeugen, und anschließend die Verbindung zu zwei dünnen Golddrähten, von denen einer an ein elektrolyt‑infundiertes Gel angeschlossen wurde. 

Laut dem Studienautor Sameer Sonkusale, Professor für Elektrotechnik und Computer Engineering an der Tufts University School of Engineering:

“Es gibt viele medizinische Anwendungen, bei denen die Echtzeitmessung von Biomarkern wichtig sein kann, um Krankheiten zu behandeln und die Gesundheit von Patienten zu überwachen. Die Fähigkeit, ein weiches und flexibles Diagnose‑Überwachungsgerät vollständig zu integrieren, das der Patient kaum bemerkt, könnte sehr mächtig sein.”

Intelligente Stoffe zur Anpassung an wechselnde Temperaturen 

Eine weitere Dimension von Smart‑Textilien, die erforscht wird, ist temperaturadaptives Gewebe, das die Energieeffizienz steigert, indem es den Bedarf an beheizten oder gekühlten Systemen reduziert.

In diesem Zusammenhang stellt neue Forschung der Hong Kong Polytechnic University, die diese Woche veröffentlicht wurde, atmungsaktive und thermisch isolierte weiche Robotik‑Kleidung vor, die sich automatisch an wechselnde Umgebungstemperaturen anpassen kann und so die Arbeitssicherheit in heißen Umgebungen gewährleistet.

Interessante Forschung der American Chemical Society vor einigen Jahren befasste sich mit der Entwicklung eines Materials, das den Träger ohne Stromverbrauch kühlt, indem es Wärme überträgt und Feuchtigkeit von der Haut verdampfen lässt.

Da Klimaanlagen und andere Kühlmethoden einen erheblichen Teil des Stromverbrauchs in den USA ausmachen, verfolgten die Forscher einen gezielten Ansatz, indem sie den Körper einer Person statt eines gesamten Raums kühlten.

Obwohl Kleidung und Textilien bereits dafür ausgelegt sind, genau das zu tun, haben die meisten hohe Kosten, geringe Kühlkapazität und hohen Stromverbrauch. Daher stellten die Forscher das neue Material durch Elektrospritzen eines Polymers, speziell eines wasserabweisenden Polymers, und eines thermisch leitfähigen Füllstoffs zu nanofasrigen Membranen her.

Diese Membranen hatten ausreichend große Poren, um Schweiß von der Haut verdunsten zu lassen und Luft zirkulieren zu lassen, während sie Wasser von außen abweisen. Die Studie stellte fest, dass die Membran neben persönlicher Kühlung auch für Meerwasserentsalzung, Solarenergiegewinnung und thermisches Management von elektronischen Geräten nützlich sein könnte.

Von der American Chemical Society kam außerdem ein neues Textil, das Sie nicht nur im Sommer kühl, sondern im Winter warm hält, was es in dieser Hinsicht einzigartig macht. Während Smart‑Textilien dafür bekannt sind, den Träger zu wärmen oder zu kühlen, ist ein Stoff, der beides kann, nicht wirklich verbreitet. Dieser starke, aber bequeme Stoff benötigt zudem keinen Energieeinsatz.

Um dieses intelligente Gewebe zu erzeugen, spinnten die Wissenschaftler gefriergetrocknetes Chitosan, das aus dem Außenskelett von Schalentieren stammt, und Seide zu farbigen Fasern mit porösen Mikrostrukturen, die dann mit einem phasenwechselnden Polymer namens Polyethylenglykol (PEG) gefüllt wurden. Der Faden wurde mit Polydimethylsiloxan beschichtet, damit flüssiges PEG, das thermische Energie absorbiert und freisetzt, nicht ausläuft.

Die Forscher testeten das Gewebe, das sich als flexibel, stark und wasserabweisend erwies, indem sie es zu einem Stoffteil verwebten, das dann in einen Polyesterhandschuh integriert wurde. Wird es von einer Person getragen und in einer heißen Kammer (122 °F) platziert, absorbiert das feste PEG die Wärme und schmilzt zu einer Flüssigkeit, die die Haut kühlt. Umgekehrt, wenn es Kälte (50 °F) ausgesetzt wird, erstarrt das PEG, gibt Wärme ab und erwärmt die Haut.

Laut den Forschern kann das Gewebe für die Massenproduktion skaliert werden, da es mit der bestehenden Textilindustrie kompatibel ist.

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Unternehmen, die an energieerzeugenden Smart‑Fabriken beteiligt sind

Nun werfen wir einen Blick auf Unternehmen, die im Bereich intelligenter Stoffe innovativ sind:

#1. Adidas

Das Unternehmen brachte vor einem Jahrzehnt das erste Paar seiner Smart‑Shoes auf den Markt. Die Schuhe verfügten über einen Sensor, Mikroprozessor, Elektromotor und ein intelligentes elektronisches Textilmaterial.

Im Jahr 2021 stellte Adidas seine neue Textilinnovation STRUNG vor, die als branchenweit erstes Textil‑ und Herstellungsverfahren beschrieben wird. Diese Innovation ermöglicht es Adidas, verschiedene Strukturen zu bauen und zu testen, bevor das ausgewählte Design an den STRUNG‑Roboter gesendet wird. Dieses Produktkonzept ist vollständig datengetriebene Fußbekleidung für ein bestimmtes Läuferprofil.

Adidas hat eine Marktkapitalisierung von 43 Mrd. $, und die Aktien werden zu 119,58 $ gehandelt, ein Anstieg von 16,74 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -0,37 und das P/E (TTM) -325, während die gezahlte Dividendenrendite 0,32 % beträgt, laut CNBC. Für das 2. Quartal 2024 meldete das deutsche Sportbekleidungsunternehmen einen Umsatz von 5,82 Mrd. €, einen Nettogewinn von 196,0 Mio. € und eine Gewinnmarge von 3,4 %, was gegenüber 1,6 % im 2. Quartal 2023 gestiegen ist.

#2. DuPont De Nemours

In der Welt der intelligenten Kleidung hat DuPont de Nemours dehnbare elektronische Verbindungen über Intexar™ eingeführt. Diese Smart‑Clothing‑Technologie verwandelt gewöhnliche Stoffe in aktive und intelligente Kleidungsstücke, die kritische biometrische Daten wie Herzfrequenz, Atemrate und Muskelspannung liefern.

DuPont hat eine Marktkapitalisierung von 33,47 Mrd. $, und die Aktien werden zu 80,19 $ gehandelt, ein Anstieg von 4,22 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 0,72 und das P/E (TTM) 111,16, während die gezahlte Dividendenrendite 1,90 % beträgt, laut CNBC. Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Anstieg des Nettoumsatzes um 2 % auf 3,2 Mrd. $ und einen um 53 % gestiegenen bereinigten freien Cashflow von 425 Mio. $.

Weitere namhafte Unternehmen, die an smarter Kleidung arbeiten, sind das britische Pireta, das ein einzigartiges Additivverfahren entwickelt hat, das Stoffen Leitfähigkeit verleiht, ohne die Leistung oder den Fall des Kleidungsstücks zu beeinträchtigen. Dann gibt es die Solar‑Charged‑Jacke von Collebak, die tagsüber Licht absorbiert und nachts wieder abgibt. Xenomas e‑Skin ist hingegen ein intelligentes Hemd, das mit Sensoren zur Überwachung von Körperbewegungen und physiologischen Daten ausgestattet ist. OMSignal bietet bio‑sensing Bekleidung, die energieerzeugende Textilien nutzt, um in den Stoff eingebettete Sensoren zur Überwachung von Herzfrequenz, Atmung und anderen Vitalzeichen zu betreiben.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex und Sensoria arbeiten ebenfalls in diesem Bereich.

In Europa haben mehrere Unternehmen zusammengearbeitet, um das GRAPHERGIA‑Projekt zu starten, das darauf abzielt, die Art und Weise zu verändern, wie Energie in Textilien und Batteriesystemen gewonnen wird. Das Projekt startete Ende letzten Jahres, um intelligente Textilien zu entwickeln, die sich dem Körper anpassen und sich selbst aufladen.

“Wir stellen uns eine Welt vor, in der Ihre Kleidung mehr tut, als nur gut auszusehen – sie versorgt Ihre Geräte mit Strom, fungiert als Sensor und verbindet Sie nahtlos mit dem Internet der Dinge (IoT).”

– Prof. Spyros Yannopoulos, Projektkoordinator für GRAPHERGIA

Fazit 

All diese spannenden Innovationen, über die wir oben gesprochen haben, machen die Mode jetzt zu einer Möglichkeit, nicht nur Macht im Aussehen zu zeigen sondern auch buchstäblich Energie zu erzeugen. Durch die Integration von Textilien mit Energieerzeugern können wir umweltfreundliche, allgegenwärtige und nachhaltige tragbare Energiesysteme schaffen.

Energieeffiziente Stoffe zeichnen sich eindeutig als die Zukunft der Mode ab und eröffnen eine völlig neue Welt der tragbaren Technologie. Die einzige Grenze hier ist unsere Vorstellungskraft.

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