Die Tage werden länger, die Temperaturen steigen, die Radsaison ist angebrochen. Familien, Tourenfahrer/innen, Amateure und Profis, aber auch Berufsleute, die ihren Arbeitsweg pedalierenderweise zurücklegen, wollen ihrer Gesundheit etwas Gutes tun. Und zweifelsohne zählt Radfahren zu den gesündesten Sportarten – sofern die Radler ihren Kopf mit einem Helm schützen. Zwischen 1998 und 2015 verdreifachte sich zwar der Anteil Radfahrer/innen, die einen Helm tragen, wie eine Erhebung der Beratungsstelle für Unfallverhütung (bfu) ergab. Doch noch immer schützt sich weniger als die Hälfte aller Radfahrer/innen vor den Folgen eines Unfalls. 53 Prozent schlängeln sich ohne Kopfschutz durch den Strassenverkehr. Zu heiss sei es ihnen unter dem Helm, begründen viele der Helmabstinenten ihr Verhalten, das gemäss bfu jährlich mehr als 1000 vermeidbare Kopfverletzungen verursacht.

Die Helmtragequote in die Höhe schrauben könnte demnach ein besserer thermischer Tragekomfort – ein Ziel, an dem Fahrradhelmhersteller seit Langem tüfteln. Dies oftmals, indem sie Prototypen neuer Helme von Probanden testen lassen oder sich auf firmeninternes Erfahrungswissen stützen. Beide Methoden haben indes ihre Grenzen, da sie oft nur subjektive Aussagen zulassen. Tests mit Probanden gelten zudem als zeitintensiv und kostspielig. Aufseiten der Forschung sind zwar seit Jahren thermische Modelle im Einsatz. Doch diese gliedern den Kopf meist nur in zwei Zonen, den Gesichts- und den übrigen Schädelbereich. Deswegen erlauben sie nur beschränkt Aussagen über lokale Wärmeflüsse. Doch gerade diese Informationen sind wichtig, um den thermischen Tragekomfort von Fahrradhelmen zu optimieren. Anders das seit Kurzem an der Empa eingesetzte Modell eines menschlichen Kopfes.

Die Begrenzungslinien auf der Oberfläche markieren die Einteilung des Kopfmodells in neun Zonen. Die künstlichen Poren sind als Öffnungen erkennbar, über die das Modell Flüssigkeit abgeben, also schwitzen, kann.

Das Empa-Modell segmentiert den Kopf in neun Zonen, womit es die Untersuchung des lokalen Wärmetransports an einzelnen, auch kleinflächigen Kopfbereichen wie den Schläfen ermöglicht. Daher können die Forscher feststellen, an welchen Stellen der Kopf unter dem Helm wie gut belüftet wird und ob die Belüftungskonzepte der Fahrradhelmhersteller wirklich funktionieren. Idealerweise zieht die Luft von der Stirn unter dem Helm über den Kopf und entweicht im Bereich des Hinterkopfes oder – je nach Modell – im Nacken. Dadurch wird die über den Kopf abgegebene Wärme abtransportiert. Der Tragekomfort nähert sich einem (theoretischen) Optimum an, das aber bislang nur selten erreicht wird.

Um das neue Kopfmodell mit dem bisherigen zu vergleichen, führten die Empa-Forscher Versuche mit handelsüblichen Helmen durch, wobei sie die Sonneneinstrahlung mit Infrarotlicht und den Fahrtwind mit einem Gebläse simulierten. Fazit: Das neue, feingliedrigere Modell erwies sich als absolut ebenbürtig – mit einem entscheidenden Vorteil: Der lokale Wärmetransport lässt sich damit sehr viel präziser analysieren.

Dann verknüpften die Wissenschaftler/innen ihr neues Kopfmodell mit einem virtuellen thermophysiologischen Ganzkörpermodell, das die Reaktionen des Körpers aufgrund des Wärmeaustausches an der Körperoberfläche simuliert. Also zum Beispiel: Meldet das neue Kopfmodell eine reduzierte Wärmeabgabe oder nimmt der Körper Wärme über den Kopf auf, regt das Ganzkörpermodell das körpereigene Kühlungssystem – die Schweissproduktion – an. Solche Interaktionen zwischen Kopf- und Ganzkörpermodell ermöglichen es den Forschern, verschiedene Szenarien durchzuspielen, etwa: Wie verhielte sich der Körper eines Radfahrers, der einen bestimmten Helm trägt und bei leichtem Gegenwind an einem Hochsommertag mit einer Geschwindigkeit von 20 km/h unterwegs ist? Und an welcher Stelle des Kopfes staut sich die Wärme respektive welche Bereiche sind gut belüftet?

Dadurch können die Experten nun detaillierte, lokale und objektive Daten zu den Helmdesigns der Hersteller liefern. Die Fabrikanten sind nun weniger stark auf aufwendige und von subjektiven Eindrücken geprägte Tests mit Probanden angewiesen. Den Radfahrer/innen steht ein Plus an Tragekomfort in Aussicht, womit, so hoffen die Forscher/innen, die Helmtragequote erhöht und somit einen Beitrag zur Verletzungsprävention geleistet werden kann.

Wie für den Kopfbereich arbeiten die Empa-Forscher/innen mit weiteren Körperteilmodellen, etwa für die Füsse und den Rumpf. Das Prinzip bleibt gleich: Anhand der Modelle können die Wissenschaftler/innen den Wärmetransport durch Textilien und andere Kleidungsstücke untersuchen sowie die zu erwartenden thermophysiologischen Reaktionen des Körpers simulieren. Ein Fernziel, so Simon Annaheim von der Empa-Abteilung «Schutz und Physiologie», sei die Entwicklung eines Modells, das verschiedene Körperteile wie Kopf, Rumpf und Fuss mit dem virtuellen Ganzkörpermodell verbinde. Dieses Unterfangen sei aber enorm anspruchsvoll, betont der Forscher, da die thermischen Interaktionen zwischen den Körperteilen im Modell mitberücksichtigt werden müssten. Mit anderen Worten: Die Wärmeflüsse in einem Körperteil wirken sich auf jene in anderen Körperteilen aus. Die Zahl der Einflussgrössen wächst, und die Interaktionsmuster werden komplexer.