Eiskalte Füße können das Laufvergnügen – und auch die Laufleistung – bei tiefen Außentemperaturen stark einschränken. Seit Jahren versucht die Industrie eine unserem modernen Lebensstil angemessene Abhilfe zu schaffen – bisher vergeblich. Jede bisher präsentierte Lösung hat unangenehme Schwachstellen, wie umständliche und störende Elektronik, einmalige Anwendung oder eine aufwendige Regeneration. Einem entspannten und unkomplizierten Laufvergnügen sind diese Schwachstellen abträglich. Die wärmende Schuheinlage aus PUR-Schaum, die unter dem Namen Chili Feet vermarktet wird, löst dieses Problem. Das Geheimnis liegt im Kunststoff – einem speziellen PUR-Schaum, der gezielt für diese Anwendung entwickelt wurde. Er wandelt einen Teil der kinetischen Energie, die beim Gehen unweigerlich entsteht, in Wärme um und sorgt so zuverlässig, zu jeder Zeit und ohne weitere Hilfsmittel für warme Füße.

Alle elastischen Werkstoffe sind nur bedingt als ideale elastische Materialien anzusehen. Die Polymermatrix wird bei Beanspruchung verformt und aus dem ursprünglichen Zustand in einen veränderten Zustand überführt. Bei dieser Zustandsänderung werden die beim Herstellungsprozess erhaltene bestehende Unordnung und damit die Entropie des Systems verändert. Das bekannte elastische Verhalten des Werkstoffes beruht darauf, dass diese durch Verformung erzwungene Erhöhung der Ordnung des Systems eine Verringerung der Entropie bewirkt. Damit wird ein thermodynamisch ungünstigerer Zustand erzwungen. Das System ist bestrebt, diesen ungünstigen Zustand wieder zu verlassen und die ursprüngliche Form wieder anzunehmen, was mit einem Entropiegewinn verbunden ist. Man spricht daher von Entropieelastizität. Nachdem in realen Werkstoffen dieser Vorgang nicht ohne Reibungsverluste abgeht, wird ein geringer Teil der zugeführten Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Dieser als Dämpfung bezeichnete Vorgang ist dafür verantwortlich, dass ein elastischer Werkstoff kein Perpetuum mobile bilden kann.

Prinzipiell zeigen alle elastomeren Werkstoffe beim Übergang vom elastischen Zustand in den glasartigen elastischen Zustand eine maximale Dämpfung. Diese auch als tan D oder Verlustfaktor bezeichnete Dämpfung ist werkstoffabhängig und kann Werte bis gegen eins annehmen, was bedeutet, dass die gesamte dem System zugeführte Verformungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Der Werkstoff zeigt dann kein Rückstellvermögen und wird dauerhaft verformt. Entscheidend dabei ist, dass diese maximale Dämpfung im Bereich der Glasübergangstemperatur des Werkstoffes auftritt und die Glasübergangstemperatur vom strukturellen Aufbau und vom Einfrierverhalten der verwendeten Rohstoffe abhängig ist. Bei klassischen Elastomeren bewegen sich diese Glasübergangstemperaturen in der Regel deutlich unterhalb der Raumtemperatur. Vielfach sind diese maximalen Dämpfungseffekte erst bei -30 bis -40?°C zu beobachten. Das erreichbare Maximum ist von der molekularen Struktur abhängig und ist umso ausgeprägter (höher), je enger die Molekulargewichtsverteilung der zum Einsatz gelangenden Rohstoffe ist.

Rückstellvermögen und Wärmegewinnung gegenläufig

Die Herausforderung bei der Entwicklung des Werkstoffes für die wärmende Einlegesohle bestand darin, einerseits ein elastisches Material mit dem erforderlichen Rückstellvermögen und andererseits eines mit einer möglichst hohen Dämpfung zu erhalten. Dabei sollte das Verlustfaktormaximum im Bereich der Fußtemperatur einen Wert von ca. 0,5 bis 0,6 besitzen, um ausreichend Wärme erzeugen zu können. Die beim natürlichen Gangverhalten auftretende Schrittfrequenz beschränkt die Dämpfung jedoch, da sich das Material wieder bis zur nächsten Belastung vollständig zurückstellen muss. Die abzufedernden Belastungen und, daraus resultierend, die optimale Steifigkeit sollten auf das durchschnittliche Körpergewicht von etwa 70 kg ausgelegt sein.

In einem iterativen Prozess mit dem Auftraggeber ist es den Entwicklern von Getzner Werkstoffe, Bürs, Österreich, gelungen, einen geeigneten Werkstoff zu formen. Die umfangreichen Messungen des Auftraggebers an den gelieferten Mustermaterialien, mit eigens für die Applikation entwickelten Messgeräten, ergaben, dass mit einer nur 5 mm dicken Schicht eine Wärmeleistung von etwa 2,5 W generiert werden kann. Dies entspricht in etwa der Leistung eines akkubetriebenen Fußwärmers. Die ebenfalls getestete 3-mm-Variante erbrachte entsprechend der reduzierten Schichtstärke eine Leistung von ungefähr 1,3 W. Durch die Umwandlung der Bewegungsenergie in Wärme kommt es innerhalb kurzer Zeit zu einem deutlichen Temperaturanstieg in und auf der Oberfläche der Wärmesohle. Tests im Labor haben gezeigt, dass nach zwölf Minuten Gehzeit Temperaturerhöhungen von etwa 10 °C gegenüber der Starttemperatur erreichbar sind.

Feldversuche beweisen Heizleistung

Diese messtechnisch ermittelten Daten wurden durch Feldversuche untermauert. Um die Wirksamkeit im realen Umfeld zu testen, wurden Gruppen mit Probanden beiderlei Geschlechts mit unterschiedlichsten Einlegesohlen ausgerüstet. Dabei handelte es sich immer um Polyurethanschäume vergleichbarer Steifigkeit, welche sich in ihren Werkstoffeigenschaften aber deutlich voneinander unterschieden. Neben dem entwickelten Produkt wurden weitere Materialien mit unterschiedlichem Dämpfungsverhalten und unterschiedlichen Wärmedurchgangswerten für den Test bereitgestellt. Eine Kontrollgruppe ohne Einlegesohlen sollte die Wirksamkeitsuntersuchungen abrunden. Das Ergebnis fiel eindeutig zugunsten der neu entwickelten Einlegesohle aus: Innerhalb von 10 Minuten Gehzeit ist bei dieser Sohle die Zehentemperatur um rund 7 °C höher als ohne spezielle Einlegesohle.

Bei der Befragung der Probanden über die Wirksamkeit der ver-schiedenen Produkte wurden die wärmenden Eigenschaften der neuen Sohle mehrheitlich bewusst festgestellt und als sehr positiv bewertet. Diese Entwicklung zeigt, dass unter Aus-nutzung bekannter physikalischer Phänomene, ressourcenschonende und energieeffiziente Produkte hergestellt werden können, denn die Wärmesohle ist langlebig und kann sogar in der Waschmaschine gewaschen werden.

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Über den Autor

Martin Dietrich ist Leiter der Werkstoffentwicklung bei Getzner Werkstoffe, Bürs, Österreich. martin.dietrich@getzner.com