Textination Newsline

Smarte Textilien sollen ermöglichen, auch vom Körpergefühl her in die virtuelle Realität einzutauchen und Berührungen am eigenen Leib zu spüren. Eine hauchdünne Folie, die Berührungsempfindungen übertragen kann, macht dabei Stoffe zur zweiten, virtuellen Haut. Schwer kranken Kindern in Isolierstationen soll sie die Körpernähe ihrer Eltern bei computersimulierten Besuchen spürbar machen. Das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki stellt die Technologie auf der Hannover Messe vor.

Die Hand auf der Schulter, ein Streicheln am Arm, eine Umarmung: Solche Berührungen beruhigen, trösten, vermitteln Sicherheit, Geborgenheit und Nähe. Geben die Nervenzellen der Haut solche Reize weiter, werden blitzschnell viele Hirnbereiche aktiv und fachen die körpereigene Biochemie an. Hormone und andere Botenstoffe werden ausgeschüttet, darunter Oxytocin, das Wohlgefühl und Bindung entstehen lässt. Videokonferenzen dagegen lassen uns eher kalt, Geborgenheit und Nähe sind kaum zu spüren – es fehlt das Körperliche. Aber was, wenn Nähe wichtig ist, wenn Kinder schwer krank sind, aber die Eltern nicht zu ihnen können? Wenn Körperkontakt wegen eines geschwächten Immunsystems nicht sein darf?

Damit Kinder in Isolierstationen die Körpernähe ihrer Eltern auch bei virtuellen Besuchen spüren und möglichst realitätsnah in dieses Erlebnis eintauchen können, arbeitet an der Universität des Saarlandes, an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar), am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) und am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein Forschungsteam über die Fachgrenzen hinweg zusammen. An der Schnittstelle von Ingenieurwissenschaft, Neurotechnologie, Medizin und Informatik entwickeln die Forscherinnen und Forscher im Projekt „Multi-Immerse“ eine virtuelle Begegnung, die alle Sinne ansprechen soll. „Immerse“ steht dabei für „Eintauchen“, für eine intensive Sinneswahrnehmung. Die jungen Patientinnen und Patienten sollen über neue Technologien ihre Eltern und Geschwister möglichst realitätsnah sehen, hören, fühlen und trotz der räumlichen Trennung dennoch ihre intensive Nähe spüren.

Für das Fühlen und die taktile Wahrnehmung zuständig ist dabei die Forschungsgruppe der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker ZeMA: Sie sind Spezialisten darin, Oberflächen mithilfe leichter Silikonfolien neuartige Fähigkeiten zu verleihen. Die Ingenieurinnen und Ingenieure machen die gerade mal 50 Mikrometer dünnen Folien zu einer zweiten Haut: Wie die Haut Schnittstelle des menschlichen Körpers zu seiner realen Außenwelt ist, soll die Folie seine Schnittstelle zur virtuellen Welt werden. Damit soll eine neue Körperwahrnehmung in der fiktiven Realität entstehen.

In einem Textil eingearbeitet, sollen die Folien die Berührungen auf die Haut des Kindes übertragen, die entstehen, wenn Mutter oder Vater andernorts über ein zweites smartes Textil streichen. „Wir nutzen dabei die Folien, sogenannte dielektrische Elastomere, als Sensoren, um die Berührungsbewegungen zu erfassen, und zugleich auch als Aktoren, also Antriebe, um diese Bewegungen weiterzugeben“, erklärt Stefan Seelecke, Professor für intelligente Materialsysteme. Die Folie erkennt als Sensor wie genau Hand und Finger die Folie beim Darüberstreichen eindrücken, eindellen und dehnen. Exakt diese Deformation, die durch die Berührungsbewegungen entsteht, imitiert die Folie in einem zweiten Textil auf der Haut des Kindes, um so etwa auf dem Arm den Eindruck eines Darüberstreichens zu vermitteln.

„Die Ober- und Unterseite der Folie sind mit einer leitfähigen, hochdehnbaren Elektrodenschicht bedruckt. Wenn wir hieran eine elektrische Spannung anlegen, ziehen sich die Elektroden durch die elektrostatische Anziehung an und stauchen die Folie, die zur Seite ausweicht und dabei ihre Fläche vergrößert“, erklärt Professor Paul Motzki die Technologie, der die Brückenprofessur „Smarte Materialsysteme für innovative Produktion“ zwischen Universität des Saarlandes und ZeMA innehat. Bei jeder kleinsten Bewegung ändert sich hierbei die elektrische Kapazität der Folie: eine physikalische Größe, die gemessen werden kann. Streicht also ein Finger über die Folie, verformt er diese und jeder einzelnen Stellung lässt sich ein exakter Messwert der elektrischen Kapazität zuordnen: Eine bestimmte Zahl beschreibt eine ganz bestimmte Stellung der Folie. Eine Abfolge dieser einzelnen Messwerte setzt einen Bewegungsablauf in Gang. Die Folie ist damit ihr eigener dehnbarer Sensor, der selbst erkennt, wie sie verformt wird.

Mit den Messwerten der einzelnen Verformungen können die Forscher etwa Streichelbewegungen durch das smarte Textil auf den Arm des Kindes übertragen. Sie können die Folie auch gezielt ansteuern. Durch intelligente Algorithmen lassen sich in einer Regelungseinheit Bewegungsabläufe vorausberechnen und programmieren. „Wir können die Folie stufenlos Hubbewegungen vollführen lassen, so dass es sich wie ansteigender Druck anfühlt oder auch eine bestimmte Position halten“, erklärt Doktorandin Sipontina Croce, die im Projekt forscht. Aber auch Klopfbewegungen sind möglich. Frequenz und Schwingungen können die Forscherinnen und Forscher beliebig verändern.

Auf der Hannover Messe demonstriert das Team seine Technologie mit einer „Uhr“, auf deren Rückseite eine smarte Folie angebracht ist. „Wir können mehrere solcher smarter Bausteine aneinanderreihen, so dass zum Beispiel eine lange Streichbewegung übertragen werden kann. Hierzu vernetzen wir diese Bausteine, so dass sie wie ein Schwarm untereinander kommunizieren und kooperieren“, erklärt Paul Motzki.

Das Verfahren ist günstig, leicht, geräuschlos und energieeffizient. Die Folientechnologie kann auch bei Computerspielen das Spielerlebnis durch eine realistische Körperwahrnehmung intensiver machen. In anderen Projekten kleiden die Ingenieure mit ihren Folien Arbeitshandschuhe für die Industrie 4.0 aus oder lassen den Eindruck von Knopfkanten entstehen, so dass aus dem Nichts heraus Tasten oder Schieberegler spürbar werden, wodurch sie Bedienoberflächen nutzerfreundlicher machen.

Auf der Hannover Messe zeigen die Saarbrücker Expertinnen und Experten für intelligente Materialsysteme weitere Entwicklungen mit dielektrischen Elastomeren: so zum Beispiel weitere smarte Textilien wie sensorische Shirts oder Schuhsohlen, auch Pumpen und Vakuumpumpen sowie Hochleistungsaktoren.

Während einer Schwangerschaft geben regelmäßige Medizinchecks Auskunft über die Gesundheit und Entwicklung der Schwangeren und des Kindes. Doch die Untersuchungen bieten nur Momentaufnahmen des Zustands, was vor allem im Risikofällen gefährlich werden kann. Um in dieser sensiblen Phase bequemes und kontinuierliches Monitoring zu ermöglichen, plant ein internationales Forschungskonsortium die Technologie der Smart Textiles weiterzutreiben. Ein mit feiner Elektronik versehenes Pflaster soll Vitaldaten sammeln und auswerten können. Zusätzlich sollen die Sensoren in Baby-Kleidung integriert werden, um unter höchster Datensicherheit die Zukunft des medizinischen Monitorings von Neugeborenen zu verbessern.
 
Mit dem Beginn einer Schwangerschaft geht eine Phase intensiver Gesundheitsüberwachung des Kindes und der schwangeren Person einher. Herkömmliche Vorsorge-Untersuchungen mit Ultraschallgeräten zeichnen jedoch nur Momentaufnahmen des jeweiligen Zustands auf und erfordern vor allem bei Risikoschwangerschaften häufige Besuche bei Ärzt*innen. Mit Hilfe von neuartigen Wearables und Smart Textiles planen Forschende im EU-geförderten Projekt Newlife, ein dauerhaftes geburtsmedizinisches Monitoring im Alltag zu ermöglichen.
 
Ein Ziel des Konsortiums aus 25 Partner*innen ist es, ein biokompatibles, dehnbares und flexibles Patch zu entwickeln, um den Verlauf der Schwangerschaft und die Entwicklung des Embryos kontinuierlich zu überwachen. Ähnlich wie ein Pflaster soll das Patch auf der Haut der schwangeren Person angebracht werden, mittels miniaturisierter Sensoren (z.B. Ultraschall) permanent Vitaldaten aufzeichnen und via Bluetooth an ein Endgerät, beispielsweise ein Smartphone übermitteln.

Moderne Medizintechnik setzt schon seit einiger Zeit auf die Technologie der Smart Textiles und intelligente Wearables, um Patient*innen anstelle einer stationären Überwachung ein komfortables Dauer-Monitoring von Zuhause zu bieten. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikroelektronik IZM bringt das Team rund um Christine Kallmayer diese Technologie zur anwendungsbezogenen Umsetzung und profitiert dabei von langjähriger Erfahrung mit Integrationstechnologien in flexible Materialien. Beim integrierten Patch setzen die Forschenden auf thermoplastische Polyurethane als Basismaterialien, in die Elektronik und Sensorik eingebettet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Tragegefühl einem handelsüblichen Pflaster entspricht statt einer starren Folie. Damit das geburtsmedizinische Monitoring unmerkbar und bequem für Schwangere und das Ungeborene verläuft, plant das Projektkonsortium innovative Ultraschallsensoren auf MEMS-Basis direkt in das PU-Material zu integrieren. Über unmittelbaren Hautkontakt sollen die miniaturisierten Sensoren Daten aufnehmen. Dehnbare Leiterbahnen aus TPU-Material sollen die Informationen dann zur Auswerteelektronik und schlussendlich zu einer drahtlosen Schnittstelle weiterleiten, so dass Ärzt*innen und Hebammen alle relevanten Daten in einer App einsehen können. Zusätzlich zum Ultraschall planen die Forschenden weitere Sensoren wie Mikrofone und Temperatursensoren sowie Elektroden einzubauen.
 
Auch nach der Geburt kann die neue Integrationstechnologie von großem Nutzen für die Medizintechnik sein: Mit weiteren Demonstratoren plant das Newlife-Team das Monitoring von Neugeborenen zu ermöglichen. Sensoren für ein kontinuierliches EKG, Überwachung der Atmung und Infrarot-Spektroskopie zur Beobachtung der Gehirn-Aktivität sollen in das weiche Textil eines Baby-Bodys und eines Mützchens integriert werden. „Besonders für Frühchen und Neugeborene mit gesundheitlichen Risiken ist das Remote-Monitoring eine sinnvolle Alternative zum stationären Aufenthalt und kabelgebundener Überwachung. Dafür müssen wir einen bisher unvergleichlichen Komfort der hauchdünnen Smart Textiles gewährleisten: Es darf keine Elektronik spürbar sein. Zusätzlich muss das gesamte Modul extrem zuverlässig sein, da die smarten Textilien Waschgänge problemlos überstehen sollten“, erklärt die Projekt-Verantwortliche am Fraunhofer IZM Christine Kallmayer.
 
Zur externen Überwachung wird im Projekt außerdem an Möglichkeiten geforscht, durch Kameradaten und Sensorik im Baby-Bett Aussagen über Gesundheitszustand und Wohlbefinden des Kindes abzuleiten. Sobald die Hardware-Basis von Patch, textiler Elektronik und Sensor-Bett aufgebaut und getestet ist, werden die Projektpartner*innen noch einen Schritt weitergehen: Mittels Cloud-basierter Lösungen sollen KI und maschinelles Lernen die Anwendung für medizinisches Personal erleichtern und höchste Sicherheit der Daten gewährleisten.

Die gesundheitsschädlichen Chemikalien PFAS sind mittlerweile in vielen Böden und Gewässern nachweisbar. Die Beseitigung mit herkömmlichen Filtertechniken ist sehr aufwendig und kaum realisierbar. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB setzen im Verbundprojekt AtWaPlas erfolgreich auf eine plasmabasierte Technologie. Kontaminiertes Wasser wird in einen kombinierten Glas- und Edelstahlzylinder eingeleitet und dort mit ionisiertem Gas – dem Plasma – behandelt. Das reduziert die Molekülketten von PFAS und ermöglicht so eine kostengünstige Beseitigung der toxischen Substanz.

Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz: PFAS (engl.: per- and polyfluoroalkyl substances), haben viele Talente. Sie sind thermisch und chemisch stabil, dabei wasser-, fett- und schmutzabweisend. Dementsprechend findet man sie in vielen alltäglichen Produkten: Pizzakartons und Backpapier sind damit beschichtet, auch Shampoos und Cremes enthalten PFAS. In der Industrie finden sie Verwendung als Lösch- und Netzmittel. In der Landwirtschaft werden sie in Pflanzenschutzmitteln verwendet. Mittlerweile lassen sich Spuren von PFAS auch da nachweisen, wo sie nicht hingehören: im Boden, in Flüssen und im Grundwasser, in Lebensmitteln und im Trinkwasser. So gelangen die schädlichen Stoffe am Ende auch in den menschlichen Körper. Wegen ihrer chemischen Stabilität ist die Beseitigung dieser auch als »Ewigkeitschemikalien« bezeichneten Substanzen bisher mit vertretbarem Aufwand kaum möglich.

Das Verbundprojekt AtWaPlas soll das ändern. Das Akronym steht für Atmosphären-Wasserplasma-Behandlung. Das innovative Projekt wird derzeit am Fraunhofer IGB in Stuttgart gemeinsam mit dem Industriepartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen vorangetrieben. Ziel ist die Aufbereitung und Rückgewinnung PFAS-belasteter Wässer mittels Plasma-Behandlung.
Das Forschenden-Team um Dr. Georg Umlauf, Experte für funktionale Oberflächen und Materialien, macht sich dabei die Fähigkeit von Plasma zu Nutze, die Molekülketten von Substanzen anzugreifen. Erzeugt wird das elektrisch leitfähige Gas aus Elektronen und Ionen durch Anlegen von Hochspannung. »In unseren Versuchen mit Plasma ist es gelungen, die Molekülketten von PFAS im Wasser zu verkürzen. Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer effizienten Beseitigung dieser hartnäckigen Schadstoffe«, freut sich Umlauf.

Wasserkreislauf im Edelstahlzylinder
Für das Verfahren nutzen die Fraunhofer-Forschenden einen zylinderförmigen Aufbau. Im Inneren befindet sich ein Edelstahlrohr und dieses dient als Masse-Elektrode des Stromkreises. Ein äußeres Kupfernetz fungiert als Hochspannungselektrode und wird zur Innenseite hin durch ein Dielektrikum aus Glas abgeschirmt. Dazwischen bleibt ein winziger Spalt, der mit einem Luft-Gemisch gefüllt ist. Durch Anlegen von mehreren Kilovolt Spannung verwandelt sich dieses Luft-Gemisch in Plasma. Für das menschliche Auge wird es durch das charakteristische Leuchten und das Entladen in Form von Blitzen sichtbar.

Im Reinigungsprozess wird das mit PFAS kontaminierte Wasser am Boden des Stahltanks eingeleitet und nach oben gepumpt. Im Spalt zwischen den Elektroden fließt es nach unten und durchquert dabei die elektrisch aktive Plasma-Atmosphäre. Beim Entladen bricht das Plasma die PFAS-Molekülketten auf und verkürzt sie. Das Wasser wird in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder durch den stählernen Reaktor und die Plasma-Entladezone im Spalt gepumpt, jedes Mal werden die PFAS-Molekülketten weiter reduziert bis zu einer vollständigen Mineralisierung. »Im Idealfall werden die schädlichen PFAS-Stoffe so gründlich beseitigt, dass sie in massenspektrometischen Messungen nicht mehr nachweisbar sind. Damit werden auch die strengen Regularien der Trinkwasserverordnung in Bezug auf die PFAS-Konzentration erfüllt«, sagt Umlauf.

Gegenüber herkömmlichen Methoden wie beispielsweise der Filterung mit Aktivkohle weist die am Fraunhofer IGB entwickelte Technologie einen entscheidenden Vorteil auf: »Aktivkohlefilter können die schädlichen Stoffe zwar binden, sie aber nicht beseitigen. Somit müssen die Filter regelmäßig ausgetauscht und entsorgt werden. Die AtWaPlas-Technologie dagegen kann die schädlichen Substanzen rückstandsfrei eliminieren und arbeitet dabei sehr effizient und wartungsarm«, erläutert Fraunhofer-Experte Umlauf.

Echte Wasserproben statt synthetischer Laborprobe
Um echte Praxisnähe zu gewährleisten, testen die Fraunhofer-Forschenden die Plasma-Reinigung gewissermaßen unter erschwerten Bedingungen. Konventionelle Testverfahren arbeiten mit perfekt sauberem Wasser und im Labor synthetisch angerührten PFAS-Lösungen. Das Forschenden-Team in Stuttgart dagegen verwendet echte Wasserproben, die aus PFAS-kontaminierten Gebieten stammen. Die Proben werden vom Projektpartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen zugeliefert. Das Unternehmen hat sich auf Altlastensanierung spezialisiert und führt daneben hydrodynamische Simulationen durch.

Die realen Wasserproben, mit denen Umlauf und sein Team arbeiten, enthalten daher neben PFAS auch weitere Partikel, Schwebstoffe und organische Trübungen. »Auf diese Weise stellen wir sicher, dass AtWaPlas seinen Reinigungseffekt nicht nur mit synthetischen Laborproben, sondern auch unter realen Bedingungen mit wechselnden Wasserqualitäten unter Beweis stellt. Zugleich können wir die Prozessparameter laufend anpassen und weiterentwickeln«, erklärt Umlauf.

Die Plasma-Methode lässt sich auch für den Abbau anderer schädlicher Substanzen einsetzen. Darunter fallen etwa Rückstände von Medikamenten im Abwasser, Pestizide und Herbizide, aber auch Industriechemikalien wie Cyanide. Daneben kommt AtWaPlas auch für die umweltschonende und kostengünstige Aufbereitung von Trinkwasser in mobilen Anwendungen infrage.

Das Verbundprojekt AtWaPlas startete im JuIi 2021. Nach den erfolgreichen Versuchsreihen im Technikums-Maßstab mit einem 5-Liter-Reaktor arbeitet das Fraunhofer-Team gemeinsam mit dem Verbundpartner daran, das Verfahren weiter zu optimieren. Georg Umlauf sagt: »Unser Ziel ist es jetzt, toxische PFAS durch verlängerte Prozesszeiten und mehr Umläufe im Tank vollständig zu eliminieren und die AtWaPlas-Technologie auch für die praktische Anwendung im größeren Maßstab verfügbar zu machen.« Zukünftig könnten entsprechende Anlagen auch als eigenständige Reinigungsstufe in Klärwerken aufgestellt werden oder in transportablen Containern auf kontaminierten Freilandflächen zum Einsatz kommen.

Präzise angewandte metall-organische Technologie erkennt und bindet giftige Gase aus der Luft

Eine dauerhafte Beschichtung auf Kupferbasis, die von Forschenden in Dartmouth entwickelt wurde, kann präzise in Gewebe integriert werden, um reaktionsfähige und wiederverwendbare Materialien wie Schutzausrüstungen, Umweltsensoren und intelligente Filter herzustellen, so eine aktuelle Studie.
 
Die Beschichtung reagiert auf das Vorhandensein giftiger Gase in der Luft, indem sie diese in weniger giftige Substanzen umwandelt, die im Gewebe eingeschlossen werden, berichtet das Team im Journal of the American Chemical Society.

Die Ergebnisse beruhen auf einer leitfähigen metallorganischen Technologie bzw. einem Modell, das im Labor der korrespondierenden Autorin Katherine Mirica, außerordentliche Professorin für Chemie, entwickelt wurde. Dabei handelte es sich um eine einfache Beschichtung, die auf Baumwolle und Polyester aufgetragen werden konnte, um intelligente Textilien zu schaffen, die die Forscher SOFT = Self-Organized Framework on Textiles nannten (JACS 2017). In ihrer Arbeit zeigten sie, dass die SOFT-Smart-Stoffe giftige Substanzen in der Umgebung erkennen und binden können.

In der neuesten Studie fanden die Forscher heraus, dass sie - anstelle der einfachen Beschichtung, über die 2017 berichtet wurde - die Struktur mithilfe eines Kupfervorläufers präzise in Gewebe einbetten können, wodurch sie spezifische Muster erstellen und die winzigen Lücken und Löcher zwischen den Fäden effektiver ausfüllen können.

Die Forschenden stellten fest, dass die Modelltechnologie das Toxin Stickoxid effektiv in Nitrit und Nitrat sowie das giftige, brennbare Gas Schwefelwasserstoff in Kupfersulfid umwandelt. Wie sie weiter berichten, hält die Fähigkeit, giftige Stoffe abzufangen und umzuwandeln sowohl der Abnutzung oder dem normalen Abrieb wie auch Wasch- und Bügelvorgängen stand.
Die Vielseitigkeit und Haltbarkeit, die das neue Verfahren bietet, würde es ermöglichen, das Verfahren für spezifische Zwecke und an präziseren Stellen einzusetzen, beispielsweise als Sensor auf Schutzkleidung oder als Filter in einer bestimmten Umgebung, so Mirica.
 
„Die neue Abscheidungsmethode bedeutet, dass die elektronischen Textilien aufgrund ihrer Robustheit potenziell mit einer breiteren Palette von Systemen verbunden werden könnten“, sagte sie. „Dieser technologische Fortschritt ebnet den Weg für weitere Anwendungen der kombinierten Filtrations- und Sensorfähigkeiten des Gerüsts, die in biomedizinischen Bereichen und bei der Umweltsanierung von Nutzen sein könnten.“

Die Technik könnte auch eine kostengünstige Alternative zu Technologien sein, die teuer und nur begrenzt einsetzbar sind, da sie eine Energiequelle oder - wie etwa Katalysatoren in Autos - seltene Metalle benötigen, so Mirica.
 
„Hier verlassen wir uns auf eine in der Erde reichlich vorhandene Materie, um giftige Chemikalien zu ‚ent‘-giften, und zwar ohne Energiezufuhr von außen, so dass wir keine hohen Temperaturen oder elektrischen Strom benötigen, um diese Funktion zu erreichen“, sagte Mirica.

Co-Erstautor Michael Ko, beobachtete den neuen Prozess zunächst im Jahr 2018, als er versuchte, das metallorganische Gerüst auf kupferbasierten Dünnfilmelektroden abzuscheiden. Aber die Kupferelektroden wurden durch das Gerüst ersetzt.

„Er wollte es oben auf den Elektroden haben und nicht als deren Ersatz“, sagte Mirica. „Wir haben vier Jahre gebraucht, um herauszufinden, was passiert und welchen Nutzen es hat. Es ist ein sehr einfacher Prozess, aber die Chemie dahinter ist es nicht, und wir benötigten einige Zeit und zusätzliche Studierende und Mitarbeitende, um das zu verstehen.“

Das Team entdeckte, dass das metallorganische Gerüst über Kupfer „wächst“ und dieses durch ein Material ersetzt, das in der Lage ist, giftige Gase zu filtern und umzuwandeln. Ko und Co-Autor Lukasz Mendecki, ein Postdoktorand in der Mirica-Gruppe von 2017-18, untersuchten Methoden, um das Gerüstmaterial in bestimmten Designs und Mustern auf Gewebe aufzubringen.

Co-Erstautorin Aileen Eagleton, die ebenfalls der Mirica-Gruppe angehört, hat die Technik durch die Optimierung des Verfahrens zum Aufdrucken des metallorganischen Gerüsts auf Stoff fertiggestellt und untersucht, wie seine Struktur und Eigenschaften durch chemische Exposition und Reaktionsbedingungen beeinflusst werden.

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Entwicklung neuer multifunktionaler Gerüstmaterialien und die Skalierung des Verfahrens zur Einbettung der metallorganischen Beschichtungen in Gewebe konzentrieren, so Mirica.

Der Trend hin zum „Internet of Everything“ ist ungebrochen. Egal ob im industriellen, medizinischen oder im alltäglichen Bereich, immer mehr elektrische Geräte werden miteinander verbunden. Diese nehmen Messwerte auf, tauschen Daten aus und reagieren nach Möglichkeit und Anwendung darauf. Auf Grund von immer kleineren Strukturen, neuer Prozessmöglichkeiten und neuer, flexibler Materialien werden solche Systeme zunehmend im textilen Bereich eingesetzt. Mittels neuer, innovativer Geräte lassen sich medizinische Messwerte direkt über ein Kleidungsstück aufnehmen, Aktoren wie EMS-Elektroden direkt ins Textil integrieren oder Funktionen wie MP3-Player, GPS-Empfänger, Sturzdetektoren, Heizstrukturen und vieles mehr einfach und intuitiv einbetten. Kommunikation und Datenaustausch finden dabei in der Regel drahtlos zum Beispiel über WLAN, Bluetooth, RFID oder in Zukunft auch über das 5G-Netz statt.

Für solche Anwendungen und Funktionen wird elektrische Energie benötigt. „Energy Harvesting“ ist trotz der Bemühungen den Energiebedarf der elektronischen Schaltungen zu minimieren für viele Anwendungen nicht ausreichend. Daher sind Energiespeicher wie Batterien oder wieder aufladbare Akkumulatoren zum Betrieb notwendig. Das Wiederaufladen hat dabei den großen Vorteil, dass kleinere, kompaktere Energiespeicher genutzt werden können, um mindestens die gleiche oder sogar eine erhöhte Lebensdauer und Gesamtlaufzeit zu erzielen. Um einen Akkumulator mit elektrischer Energie aufzuladen, gibt es zwei grundlegende Konzepte. Zum einen drahtgebundene Energieübertragung, durch Kontaktierung beispielsweise mit einem Micro-USB Kabel. Zum anderen drahtlose Energieübertragung.

Bei drahtgebundenen Lösungen können Kontakte verschleißen und gerade im textilen Bereich durch Fussel zugesetzt werden. Außerdem sind mechanische Kontakte unkomfortabel und wenig flexibel.
Besser eignen sich daher drahtlose Konzepte, die gleich mehrere Vorteile mit sich bringen. Beispielsweise kann die Elektronik inklusive Energiespeicher komplett eingekapselt werden, da keine galvanischen Kontakte notwendig sind. Dadurch wird das Textil maschinenwaschbar, da die Elektronik vor Wasser, Waschmittel aber auch Schweiß geschützt ist.

Es müssten somit keine Komponenten mehr von dem Textil entfernt werden. Ein weiterer praktischer Vorteil ist die Vereinfachung der Aufladung. Das Textil kann mit dem passenden Konzept auf Kleiderbügel aufgehängt, in Wäschekörbe gelegt oder im Idealfall einfach in die Waschmaschine gegeben werden und ohne weiteres Zutun des Anwenders aufgeladen. Somit entsteht eine unkomplizierte, charmante Art und Weise zum Betreiben smarter Textilien.

Um ein Textil drahtlos mit Energie zu versorgen gibt es mehrere Konzepte und Möglichkeiten. Die beliebteste und gleichzeitig effizienteste Methode ist die induktive Energieübertragung . In diesem Fall werden zwei Spulen induktiv miteinander gekoppelt und übertragen somit drahtlos Energie. Luft, Holz, Kunststoff, aber auch Flüssigkeiten wie Wasser oder menschliches Gewebe können über einige Zentimeter nahezu verlustfrei von dem entstandenen induktiven Magnetfeld durchdrungen werden.

Auch für die Integration der Elektronik auf das Textil gibt es verschiedene Konzepte. Am einfachsten zu entwickeln sind Konzepte, bei denen alle Schaltungsteile auf Leiterplatten hergestellt werden. Dünne Leiterplatten besitzen inzwischen Substratdicken von wenigen zehntel Millimetern. Auch flexible Möglichkeiten die z.B. Herstellung auf Silikone sind denkbar. Dabei werden sowohl unter anderem die Sensoren und der Mikrocontroller als auch die Spule zur induktiven Energieübertragung auf das Substrat gefertigt. Diese komplette Leiterplatte muss im Anschluss noch mit dem Textil verbunden werden. Möglich ist das durch Kleben, Annähen oder einen Einschub. Von der Fertigung der gesamten Schaltung auf dünnen Leiterplatten bis hin zu gesamttextilen Integration sind verschiedenste Kombinationen möglich.

Einen Schritt weiter gehen Konzepte, bei denen die Empfängerspule in das Textil integriert wird. Dabei werden zum Beispiel hochfeine Drähte oder Litzen eingewebt oder aufgestickt. Hierdurch wird das textile Material zum Substrat und zu einem funktionalisierten Textil. Im Anschluss wird der verbleibende Teil der Schaltung auf ein herkömmliches Substrat integriert und mit der Spule und dem Textil verbunden. Da die Spulen zum Teil Durchmesser von wenigen Zentimetern haben können, erhält man somit einen Gewinn an Flexibilität, weil die textile Spule beim Tragen nahezu frei verformbar ist. Bei einer gesamttextilen Integration werden schließlich auch die Bauteile auf das Textil befestigt und die Leiterbahnen werden aufgestickt oder eingewebt.

Konsequent um- und eingesetzt kann die drahtlose Energieübertragung somit dazu beitragen den Markt für smarte Textilien nachhaltig zu stärken, da das einfache und komfortable Aufladen der Textilien die Handhabung und Nutzererfahrung verbessert.

• Techtextil und Texprocess zeigen Sonderareal „Living in Space“ gemeinsam mit ESA und DLR
• Ernährung, Fortbewegung, Mode und Wohnen: Ohne technische Textilien ist keine Besiedelung des Weltalls möglich

Beam me up, Scotty: Für eine Reise ins Weltall muss allerhand Material transportiert werden – vor allem aber technische Textilien. Wo die alles drinstecken, zeigt das Sonderareal „Living in Space“ der diesjährigen Techtextil und Texprocess (9. bis 12. Mai 2017) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das Areal zeigt unter anderem Materialien und Technologien der Techtextil- und Texprocess-Aussteller in einer „Material Gallery“, Architektur für das Weltall von Ben van Berkel, All-inspirierte Mode sowie originale Mars-Rover. Und: Auch ohne ein schwindelerregendes Astronauten-Training absolviert zu haben, können Besucher eine Reise durchs All zum Mars per Virtual Reality-Brille antreten.

„Auf dem Areal `Living in Space´ präsentieren wir Besuchern der Techtextil und Texprocess textile Materialien und Verarbeitungstechnologien in einem anwendungsorientierten Umfeld. In Zusammenarbeit mit unseren Partnern und Ausstellern haben wir ein informatives und zugleich unterhaltsames Areal gestaltet, das es in dieser Form bislang auf keiner Techtextil und Texprocess gab“, so Michael Jänecke, Brand Manager Technical Textiles and Textile Processing bei der Messe Frankfurt. Da technische Textilien in nahezu jedem Lebensbereich der Menschen vorkommen, orientieren sich die auf dem Areal gezeigten Materialien und Verarbeitungstechnologien an den Anwendungsbereichen „Architecture“, „Civilization“, „Clothing“ und „Mobility“.

Schöner Wohnen im All

Eine Idee davon, wie Bauen im Weltall funktionieren kann, erhalten Besucher im Themenbereich „Architecture“, kuratiert vom Architekturmagazin Stylepark. Der Leichtbau- und Großschirmspezialist MDT-tex und sowie Stararchitekt Ben van Berkel vom internationalen Architekturbüro UNStudio haben eigens für die Techtextil ein „Space Habitat“ entworfen. Der aus rund 60 Einzelmodulen zusammengesetzte Leichtbau-Pavillon, jedes in sich doppeltgekrümmt und gespannt, umfasst 40 Quadratmeter und besteht aus Aluminiumsonderprofilen, die jeweils mit PTFE-Membranen bespannt sind. MDT-tex hat das Gewebe eigens für den Pavillon in einer besonders leichten Grammatur gewoben und dabei dessen Hochtemperaturbeständigkeit und technische Eigenschaften erhalten. Aussteller und Besucher finden in der Halle 6.1 zudem das BMWI-Areal „Innovation made in Germany“, dass sich an junge innovative Unternehmen mit Sitz in Deutschland richtet. Bewerbungen für das BMWI-Areal sind weiterhin auf der Webseite der Techtextil möglich.

Ultraleichte Materialien spielen in der Raumfahrt eine zentrale Rolle, denn je leichter die Ladung einer Raumkapsel, desto günstiger wird der Transport. Zurückgelehnt in bequeme Sessel können Messebesucher im Space Habitat auch per Virtual Reality-Brille zum Mars reisen. Nebenbei erfahren sie mehr über technische Textilien und deren Verarbeitung im All.

Hightech-Fashion für den Orbit

Wer schwitzt oder friert schon gerne? Mode für das Weltall soll nicht nur vor extremen Temperaturen schützen, sondern ebenso wie auf der Erde die Körpertemperatur des Trägers regulieren, Feuchtigkeit ableiten und langlebig und pflegeleicht sein. Umso besser, wenn sie dann auch noch gut aussieht. Das zeigen die Entwürfe im Themenbereich „Clothing“ auf dem Sonderareal. Die ESMOD Modeschule aus Berlin präsentiert Outfits, die Studierende im Rahmen des Projektes „Couture in Orbit“ (2015/2016) gefertigt haben. Durchgeführt wurde das Projekt von der ESA und vom London Science Museum. Zudem präsentiert das Designzentrum POLI.design der Mailänder Hochschule Politecnico di Milano aktuelle Outfits aus dem Folgeprojekt „Fashion in Orbit“ unter der wissenschaftlichen Leitung von Annalisa Dominoni und der technischen Leitung von Benedetto Quaquaro sowie in Zusammenarbeit mit der ESA und dem Bekleidungshersteller Colmar. 

Von den Textilinstituten Hohenstein kommen zwei Modelle aus dem Forschungsprojekt Spacetex, in dessen Rahmen der Astronaut Alexander Gerst während der Mission „Blue Dot“ das Zusammenspiel von Körper, Kleidung und Klima unter Schwerelosigkeit untersuchte. Dabei erinnert das Modell „Nostalgia“ von Linda Pfanzler (Hochschule Niederrhein) den Träger mit einer integrierten Duft-Bibliothek an die Erde. Die Anzüge der Kollektion „Dynamic Space“ von Rachel Kowalski (Hochschule Pforzheim) enthalten Elektroden, die in der Schwerelosigkeit wichtige Muskelgruppen stimulieren. Die Outfits von Leyla Yalcin und Sena Isikal (AMD Düsseldorf) wiederum stammen aus der Kollektion „Lift off“ in Zusammenarbeit mit dem Silberfaden-Hersteller Statex aus Bremen. Dazu gehört ein Schlafsack für Astronauten aus versilberter Flächenware, der auch als Overall genutzt werden kann und vor elektromagnetischen Strahlen schützt. Der mit Silberfäden verarbeitete Regenmantel wiederum reflektiert Licht und speichert die Körperwärme des Trägers.

Material Gallery: „All-Tags“-taugliche Fasern

Neben den Exponaten auf der Fläche bieten rund 40 Aussteller der Techtextil und Texprocess in einer „Material Gallery“ Impulse für faserbasierte und weltalltaugliche Materialien und Verarbeitungstechnologien. Für den Bereich „Civilization“ stehen unter anderem Abstandgewirke zur Anzucht von Gemüsepflanzen, für „Mobility“ unter anderem ein Carbongarn, aus dem ein Gehäuse für den Festtreibstoff-Booster der Ariane 6 gefertigt wurde. Die Material Gallery zeigt außerdem Faserverbundstrukturen aus Carbonfasern wie einen Roboterarm, einen Ganzkörperanzug, der die Bewegungen des Trägers in Echtzeit auf ein 3D-Modell überträgt, funktionelle Bekleidungstextilien mit flammhemmenden, antibakteriellen und temperaturregulierenden Eigenschaften sowie Membransysteme zur Entlüftung von Flugzeugen.

Exponate der ESA, des DLR sowie des Technikmuseums Speyer, darunter ein original Mars-Rover und Astronautenanzüge, machen das Areal zu einem außergewöhnlichen Messe-Erlebnis. Impulsvorträge von ESA-Experten für Technologietransfer an allen Messetagen ergänzen das Angebot zusätzlich.