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Dieses Footballhelm-Design verspricht, das Gehirn zu schützen, nicht nur den Schädel
Helmdesigner haben es bisher versäumt, eine Hauptursache für Hirnverletzungen zu berücksichtigen – die kinetische Energie, die nach einem Aufprall durch den Kopf wandert und das Gehirn in den Schädel schwappen lässt. Das ist gem Ellen Aruda , ein Maschinenbauprofessor an der University of Michigan, der sich dafür einsetzt, dies zu ändern. Sie und ihre Kollegen haben einen Prototyp einer neuen Helmtechnologie vorgestellt, die in der Lage ist, einen erheblichen Teil dieser kinetischen Energie, die auch als Impuls bezeichnet wird, abzubauen, bevor sie das Gehirn erreicht.
Footballhelme haben sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, und einige der Änderungen spiegeln Versuche wider, das Risiko von Hirnverletzungen zu mindern. Aber während sie die Kraft eines Aufpralls gut absorbieren und dadurch Schädelbrüche verhindern können, ist kein Helm auf dem Markt in der Lage, einen signifikanten Teil des Impulses zu absorbieren, sagt Arruda. Militärhelme stehen vor dem gleichen Problem.
Ein herkömmlicher Football-Helm.
In Labortests mit einem Schädel- und Gehirnmodell reduzierte der Prototyp aus Arrudas Gruppe sowohl die Aufprallkraft als auch den resultierenden Impuls im Vergleich zum herkömmlichen Helmdesign um eine Größenordnung.
Die grundlegende Herausforderung bei der Entwicklung eines Helms, der sowohl das Gehirn als auch den Schädel schützt, liegt in der Mechanik, sagt Arruda, und dazu müssen die richtigen Materialien für die Arbeit gefunden werden. Der Schädel ist ein elastisches Material, was bedeutet, dass er nicht viel von dem Impuls absorbieren kann, wenn überhaupt, sagt sie. Das Gehirn trägt am Ende die Hauptlast davon, und da es in der Zerebrospinalflüssigkeit schwimmt und nicht mit dem Schädel verbunden ist, schwappt es und verursacht Verletzungen (siehe New Collar Promises to Keep Athletes’ Brains from Sloshing Around).
Dagegen könnte ein Helm schützen, der nach einem Aufprall bricht oder sich verformt. Aber während dies eine gute Möglichkeit ist, Soldaten oder Biker zu schützen, muss ein praktischer Football-Helm wiederholte Schläge überstehen und Spiel für Spiel getragen werden können. Unser Ansatz soll immer wieder verwendet werden, sagt Arruda. Der Schlüssel zum neuen Design ist ein Material mit sogenannten viskoelastischen Eigenschaften, das heißt, dass es bei Verformung Eigenschaften aufweist, die sowohl viskosen Materialien wie Honig als auch elastischen Materialien wie Gummi ähneln. Viskoelastische Materialien werden üblicherweise in Stoßdämpfern verwendet.
Der neue Prototyp besteht aus drei kostengünstigen Polymeren, darunter einem viskoelastischen. Das Trio arbeitet zusammen, um die Druckwelle zu absorbieren, die nach einem Aufprall durch den Kopf wandert. Arruda und ihre Kollegen entwickelten ein Schema, das sich auf die Eigenschaften der ersten beiden Schichten stützt, um die Welle so abzustimmen, dass ihre Frequenz beim Auftreffen auf die viskoelastische Schicht innerhalb des Bereichs liegt, den das Material absorbieren kann. Dasselbe Prinzip, das die Forscher kürzlich in einem Peer-Review beschrieben haben Veröffentlichung , könnte auch verwendet werden, um bessere Helme für Soldaten herzustellen.
Die Gruppe gewann kürzlich einen Preis in Höhe von 250.000 US-Dollar, weil sie einer von fünf Finalisten in einem war Wettbewerb gesponsert von der National Football League, General Electric, Under Armour und dem National Institute of Standards and Technology (NIST). Der Wettbewerb konzentrierte sich auf innovative Materialien für Helme. Die Forscher haben nun ein weiteres Jahr Zeit, um ihr Design zu verfeinern und es dann bei NIST einzureichen, das weitere Tests durchführen und den Gewinner ermitteln wird.