Was haben Glasbierflaschen, Edelstahlflaschen und Eisbärenhaar gemeinsam?
Ja, sie sind alle großartige Isolatoren, aber der Grund dafür wird Sie vielleicht überraschen!
Was ist Isolierung?
Um zu erfahren, was einen großartigen Isolator ausmacht, lassen Sie uns zuerst einen Blick darauf werfen, was genau Isolierung ist. Es gibt viele Arten von Isolierung – thermische, akustische, elektrische usw. Für unsere Zwecke werden wir über thermische Isolierung sprechen, die die Wärmeübertragung zwischen Objekten reduziert, indem sie entweder die Wärmestrahlung reflektiert oder die Wärmeleitung und Konvektion von einem Objekt zum anderen verringert (mehr dazu in Kürze). Im Grunde genommen ist es die Wärmedämmung, die Ihren Kaffee in einer isolierten Tasse heiß und Ihre Hände in Handschuhen warm hält.
Arten der Wärmeübertragung
Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass die Wärmedämmung die Kälte draußen hält, während die Funktion der Wärmedämmung in Wirklichkeit darin besteht, die Wärmeübertragung zu reduzieren, was bedeutet, dass sie die Wärme drinnen hält. Wärmeenergie wird auf nahegelegene Objekte mit niedrigerer Temperatur übertragen, was Sie spüren können, wenn heißer Kaffee in Ihre Kaffeetasse gegossen wird, es sei denn, die Übertragung wird durch einen Wärmedämmstoff verlangsamt oder gestoppt.
Um zu verstehen, was einen guten Wärmedämmstoff ausmacht, müssen Sie die drei Methoden der Wärmeübertragung verstehen: Konduktion, Konvektion und Strahlung.
Konduktion: Der Prozess, durch den Wärme von einem Bereich mit größerer kinetischer Energie (höherer Temperatur) zu einem Bereich mit geringerer kinetischer Energie (niedrigerer Temperatur) übertragen wird, z. B. durch Berühren eines heißen Griffs. Geschieht durch physischen Kontakt und ist die häufigste Form der Wärmeübertragung.
Konvektion: Der Prozess, bei dem ein Gas oder eine Flüssigkeit erhitzt wird und sich dann von der Quelle wegbewegt, z. B. das Spüren der heißen Luft über einem kochenden Topf.
Strahlung: Der Prozess der Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen, z. B. Wärme von der Sonne.
Wärmeisolatoren
Die Aufgabe eines Wärmeisolators ist es, die Wärmeübertragung zu reduzieren – entweder das gewünschte Objekt warm oder kalt zu halten. Ein großartiges Beispiel für einen thermischen Isolator ist eine Wasserflasche aus Edelstahl, die kalte Getränke kühl und heiße Getränke heiß hält – und das alles in ein und demselben Gerät! Aber hier ist der verblüffende Teil – Edelstahl ist kein guter thermischer Isolator – tatsächlich ist er ein besserer Leiter.
Superior Glove sprach mit Paul Faucher, einem leitenden Ingenieur bei NOVO Engineering, um diesem Geheimnis auf den Grund zu gehen.
„Die Edelstahl-Wasserflasche ist ein so interessantes Beispiel, weil viele Leute nicht wissen, dass es nicht der Edelstahl ist, der für die Isolierung sorgt – es ist ein Vakuum“, erklärt Faucher. „Die Edelstahlflasche besteht eigentlich aus zwei Flaschen – eine über der anderen mit einem kleinen Raum dazwischen. Dieser Zwischenraum ist luftleer und erzeugt ein Vakuum – dieses Vakuum sorgt für die Isolierung.“
Faucher erklärte weiter, dass ein Vakuum einer der bekanntesten Isolatoren ist, dass aber auch Luft selbst ein hervorragender Isolator ist und zu den isolierenden Eigenschaften von Gegenständen wie Ofenhandschuhen und Glasfaserisolierung beiträgt. Es sind die Lufteinschlüsse in diesen Materialien, die die Wärmeübertragung viel mehr verlangsamen als die Materialien selbst.
„Die NASA verwendet tatsächlich Lufteinschlüsse, um zu verhindern, dass Space Shuttles beim Wiedereintritt in die Erde verbrennen.“
Wärmeisolatoren für Textilien
Wenn es um Wärmeisolatoren für Textilien geht, war der Kampf für die Hersteller schon immer der zwischen Größe und Effektivität. Je größer der Handschuh oder das Kleidungsstück, desto besser die Isolationseigenschaften, aber desto unangenehmer ist es für den Träger.
„Die Isolation für Ihre Kleidung funktioniert ähnlich wie die für Ihr Zuhause – ein isolierender Stoff wird mit viel Platz für Luft zusammengewebt. Die Verwendung von hohlen Stoffen und deren lockeres Zusammenweben ist der beste Weg, um Kleidung zu isolieren, aber ähnlich wie bei der Hausisolierung entsteht dabei ein sperriges Material, das für den Träger nicht immer praktisch ist“, erklärt Adam Bahret, Inhaber und leitender Ingenieur von Apex Ridge, einem Beratungsunternehmen für Produktzuverlässigkeit.
„Gegenstände wie Glas und Keramik sind fantastische Isolatoren, wenn sie in Fasern zerlegt und zu einem Stoff gewebt werden“, erklärt Bahret. „Eine der größten Herausforderungen für isolierende Stoffe, die Wärmeenergie im Inneren halten sollen, ist die Frage, wie man diese isolierenden Eigenschaften ohne große Masse erzeugen kann. Stoffe wie Thinsulate® haben diese Herausforderung erfolgreich gemeistert, indem sie eine großartige Isolierung in einem dünnen Stoff bieten.“
Eine der kreativsten und zugleich effektivsten Formen der Isolierung, auf die Bahret je gestoßen ist, betraf eine geniale Methode zur Isolierung von Häusern in Ländern der Dritten Welt. Die Idee ist denkbar einfach, funktioniert aber extrem gut. Bierflaschen aus Glas werden zum Bau einer Wand verwendet und mit Mörtel zusammengehalten. Die Hohlräume und die runde Form der Flaschen machen sie zu ausgezeichneten Wärmeisolatoren, während die Transparenz der Flaschen viel natürliches Licht durchlässt. Es ist eine funktionelle, kostengünstige Möglichkeit, ein isoliertes Haus zu bauen.
Die Zukunft der Isolierung
Wie wird die Isolierung in der Zukunft aussehen? Werden neue Materialien entdeckt, die die Art und Weise, wie isolierende Kleidung hergestellt und getragen wird, drastisch verändern werden? Paul Faucher glaubt das.
In der Tat glaubt Faucher, dass die Zukunft der Isolierung bereits da ist – sie ist nur zu teuer.
„In der Zukunft werden Sie neue Mikro-Röhren- und Mikro-Kugel-Isolatoren sehen, die auf der Technologie zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren (Mikroröhren) basieren. Diese werden für die gewünschten Isolationseigenschaften in dünnen, tragbaren Stoffen, Filmen und sogar Formteilen eingesetzt werden“, prognostiziert Faucher.
„Mikroröhren sind mikroskopisch klein und aufgrund ihrer Hohlräume, in denen Luft eingeschlossen wird, hervorragende Isolatoren. Sie funktionieren ähnlich wie Daunenfedern, die ebenfalls hohl sind, um Wärmeenergie zu isolieren. Wie jeder weiß, der eine Daunenjacke besitzt, sind die Isolationseigenschaften hervorragend. Die Mikroröhrchen bringen diese Isolierung noch einen Schritt weiter, da sie mikroskopisch klein sind, weniger Volumen haben und die Wärme besser speichern können.“
Der Preis der Mikroröhrchentechnologie macht sie für Verbraucherzwecke noch unpraktisch. Wenn der Preis sinkt, glaubt er, dass wir mehr und mehr von dieser Technologie in isolierenden Stoffen sehen werden.
Ist ein Mikroröhren-Handschuh für Superior Glove in Arbeit? Man wird abwarten müssen!
Das Rätsel der Glasflasche, der Edelstahlflasche und des Eisbärenhaars
Wir sind endlich zu unserem ursprünglichen Rätsel zurückgekehrt – was haben all diese Gegenstände gemeinsam, das sie zu so großartigen Isolierern macht? Wenn Sie den Artikel gelesen haben und nicht bis zum Ende gesprungen sind, dann wissen Sie bereits, dass es die Hohlheit der beiden Flaschen ist, die für ihre hervorragenden Isoliereigenschaften sorgt. Luft, ein schlechter Leiter und guter Isolator, wird in der Hohlheit der Glasflasche eingeschlossen, während Edelstahlflaschen noch einen Schritt weiter gehen, indem sie ein Vakuum erzeugen, um die Wärmeenergie zu verlangsamen.
Aber was ist mit dem Eisbärhaar?
Ähnlich wie Daunenfedern ist das Eisbärhaar tatsächlich hohl. Dieser hohle Kern schließt Luft ein und isoliert den Eisbären gegen die extreme Kälte der Arktis. Das muss der Grund sein, warum sie in der eisigen Kälte immer so glücklich aussehen!
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Danke an Paul Faucher von NOVO Engineering und Adam Bahret von Apex Ridge für ihre Beiträge zu diesem Artikel.
Paul Faucher ist leitender Ingenieur bei NOVO Engineering, einem Beratungsunternehmen, das umfassende Hardware- und Software-Entwicklungsdienstleistungen vom Konzept bis zur Pilotfertigung anbietet. Faucher hat einen vielseitigen Hintergrund in Maschinenbau und Physik. Er erhielt seinen BSME von der San Diego State University und verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung im Ingenieurwesen.
novoengineering.com
Adam Bahret ist Gründer, Eigentümer und leitender Ingenieur von Apex Ridge, einem Ingenieurbüro, das sich auf Zuverlässigkeits-Engineering für die Produktentwicklung spezialisiert hat und zu dessen Kunden Google, Boeing, Amazon Robotics und Hyundai gehören. Bahret ist ein Experte für mechanische und elektrische Systemzuverlässigkeit mit über 20 Jahren Erfahrung in der Produktentwicklung. Er erhielt seinen MS in Maschinenbau von der Northeastern University und ist ein ASQ Nationally Certified Reliability Engineer sowie ein Mitglied von IEEE.
www.apexridge.com
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