To forum wykorzystuje pliki cookie
To forum wykorzystuje pliki cookie do przechowywania danych logowania, danych o Twojej ostatniej wizycie, pliki cookie na tym forum śledzą również tematy, które przeczytałeś. Korzystanie z forum oznacza akceptajcę ustawień plików cookie. Możesz zmienić ustawienia plików cookie w dowolnym momencie w swojej przeglądarce.


Termika - podczerwień (metale)
#1
Promieniowanie cieplne
Poniższy tekst jest pierwszym z cyklu artykułów dotyczących termiki ciała ludzkiego oraz związanych z nim aspektów odzieży oraz sprzętu outdoorowego. Kolejne części będą dotyczyły wody oraz powietrza.
Zastanawialiście się kiedyś, dlaczego słońce i ogień grzeją? Wszystkich nas próbowano nauczyć, że zachodzą tam reakcje egzotermiczne wyzwalające duże ilości energii, poczym zaczynała się czarna magia i ta energii z prędkością światła dociera do nas…. Moglibyśmy teraz poruszyć cały zespól pojęć od fotonów przez fizykę kwantową po ciało doskonale czarne oraz wpływ grawitacji na zachowanie cząstek elementarnych. Jednak interesuje nas aspekt outdoorowy promieniowania cieplnego oraz jego potencjalnie zastawania w praktyce użytkownika. Wróćmy, więc do energii, która jakoś musi do nas dotrzeć, inaczej mielibyśmy zimny ogień oraz ciemne słońce. Głównym nośnikiem energii, jeśli chodzi o te dwa źródła ciepła jest promieniowanie elektromagnetyczne w pełnym swoim spektrum.
W 1800 r. fizyk William Herschel umieścił termometr rtęciowy w widmie optycznym uzyskanym z pryzmatu. Eksperyment ten pozwolił mu zmierzyć ilość energii cieplnej przenoszonej przez poszczególne kolory światła. Ku jego zaskoczeniu okazało się, że termometr najbardziej rozgrzewa się, gdy znajdzie się na nieoświetlonym polu poniżej czerwonego koloru. Doszedł do wniosku, iż istnieje niewidzialne dla oka promieniowanie "podczerwone", które transmituje ciepło w postaci niewidocznej fali świetlnej. Obecnie podczerwień wykorzystuje się od noktowizji aż po sauny. Mało tego każdy z nas jest źródłem promieniowania podczerwonego, jakby nie było w naszym ciele zachodzi reakcja spalania (wdychamy tlen wydychamy dwutlenek węgla)

Ilość ciepła przez nas wydzielanego jest jednocześnie za duża i za mała. Za duża, co dotkliwie odczuwamy w czasie wysiłku fizycznego ratując ciało przed przegrzaniem intensywnym wydzielaniem potu. Za mała zaś, co poczujemy zimą· w czasie bezruchu. Jest to skutek uboczny bycia organizmem stałocieplnym. Zyskujemy natomiast możliwość aktywności w szerszym spektrum temperatur inaczej narciarstwo musielibyśmy uprawiać będąc niemal w stanie letargu. Termiczny margines błędu naszego organizmu jest bardzo niewielki już przy temperaturze ciała obniżonej do 35°C zaczynają występować pierwsze objawy hipotermii. Z drugiej zaś strony odczuwamy przegrzanie już przy temperaturze ciała podniesionej raptem o 0, 5°C (sic!). Taki skutek wywołuje intensywny wysiłek fizyczny. Przy 41,5°C zaczyna zachodzić powolna denaturacja białek w układzie nerwowym człowieka, która może prowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń mózgu a nawet śmierci. Tak naprawdę mamy, więc do dyspozycji raptem 2°C amplitudy, w której jesteśmy w stanie działać zachowując pełną sprawność umysłu (wiarygodna ocenę ryzyka). Przy wyższej i niższej temperaturze sprawność naszego umysłu oraz wiarygodność odczuć pozostawia wiele do życzenia. Dla odczuwania komfortu widełki te są jeszcze węższe i wynoszą odpowiednio: 36,3–37,1 °C wśród mężczyzn, 36,5–37,3 °C wśród kobiet
By organizm pozostawał pełnym komforcie termicznym mamy trzy obszary działania.
Po pierwsze jest to zarządzenie warstwą izolacyjną zagadnienie to opisywać będzie w pełni kolejny artykuł cyklu. Obejmie on wszystkie zagadnienia związane de facto z powietrzem i jego wpływem na termikę.
Następnym obszarem działania jest zarządzanie obiegiem wody (w niemal wszystkich stanach jej skupienia), zarówno w odzieży jak również wokół niej. Jakby niebyło woda ma, wszystkich znanych substancji chemicznych, największą pojemności cieplną oraz kilka innych dość specyficznych cech. Zagadnienia związane z zarządzaniem obiegiem wodą poruszone zostaną również w kolejnej części cyku.
Trzecim opisywanym w tym artykule są zagadnienia związane z promieniowaniem oraz możliwościami zarządzania nim w celu zwiększanie komfortu oraz limitu bezpieczeństwa osób prowadzących działalność górską i wysokogórską. Choć dotyczy to w równym stopniu również innych aktywności związanych z wystawieniem na zmienne oraz często niesprzyjające warunki atmosferyczne.
Promieniowanie cieplne człowieka
Organizm człowieka oddaje ciepło:
Na drodze czynnej poprzez:
Odparowanie wody z potu wydzielonego na powierzchnię skóry ok. 22%
Na drodze biernej poprzez:
Przewodzenie (styczność) ok. 3%
Konwekcję (unoszenie) ok. 15%
Promieniowanie ok. 60%

Oczywiście powyższe zjawiska nigdy nie występują osobno. Za każdym razem mamy do czynienia z całym ich spektrum nakładającym się wzajemnie na siebie. Warto jednak zwrócić uwagę na fakt strat związanych z promieniowaniem. Z reguły o termikę ciała walczymy przede wszystkim poprzez zmiany grubości warstwy izolacyjnej. Przy zachowaniu racjonalnie uzasadnionego obiegu wilgoci oraz uwzględniając wpływ ruchów powietrza. Jednakże wielokrotnie okazuje się, że założona przez nas odzież mimo teoretycznej poprawności warstw nie działa lub działa inaczej niż się spodziewaliśmy. Mimo to po zapoznaniu się z powyższymi danymi pierwszym pomysłem, jaki nasuwa się by rozwiązać problem zapewnienia równowagi termicznej jest zminimalizowanie promieniowania. Po części realizowany jest poprzez zwiększanie grubości izolacji oraz poprawianie jej parametrów. Mamy jednak do dyspozycji również inne rozwiązania.

„Kosmiczna” folia NRC
Stosowana przez służby medyczne jak również zwykłych turystów większość z was pewnie wie, że działa. Jak to możliwe, że tak cienka warstwa znacząco podnosi komfort osoby wychłodzonej lub przegrzanej. Wszystko dzięki metalicznym powłokom. Tak zwany koc pomoc ma dwie strony srebrna i złotą (z zadka srebrną i czarna). W przypadku wychłodzenia kierujemy się zasadą „srebro na żebro” a więc osobę wymagającą podniesienia termiki okrywamy srebrną strona do wewnątrz. Warstwa ta to nic innego jak napylone na warstwę nośną, którą z reguły stanowi folia polietylenowa o podwyższonej gęstości. Dlaczego „grzeje”? Tak naprawdę pozwala jedynie zminimalizować straty po pierwsze stanowi tzw.: paroizolację „vapor barrier”. Używając outdoorowej terminologii nie oddycha uniemożliwiając wystąpienie strat związanych z parowaniem naszego organizmu dodatkowo wykraplającą się para wodna oddaje energie podnosząc temperaturę, wewnątrz (choć ten efekt jest minimalny). Zapewnia też wiatroszczelność. Najbardziej jednak interesującym aspektem jest odbijanie promieniowania podczerwonego z powrotem do jego źródła, a więc osoby poszkodowanej. Stąd też, jeśli to możliwe stosowana jest możliwie blisko ciała. A więc poszkodowany w odzież jest otulany folią, po czym pakowany do śpiwora. Folia srebrną stroną odbija 80% promieniowania podczerwonego, jakie do niej dochodzi, właśnie to stanowi o jej skuteczności.

Rysunek 2 Układ warstw powłoki ochronnej lądownika księżycowego - misja Apollo 16 fot.NASA
Sama folia została stworzona głównie na potrzeby przemysłu kosmicznego i to zarówno w USA jak i równolegle w ZSRR założeniem konstrukcyjnym było stworzenie jak najlżejszej powłoki zabezpieczającej satelity, i inne narażone urządzenia, przed promieniowaniem kosmicznym w całym jego spektrum. Po Gore-tex’ie jest to, więc kolejny „kosmiczny” wynalazek stosowany w outdoorze.

Podczerwień a odzież

Rysunek 3 Omni Heat, materiały reklamowe firmy Columbia
Od kilku lat firma Columbia promuje technologię omni-heat. Polega ona na zastosowaniu tkanin odbijających promieniowanie podczerwone. W zależności od aplikacji warstwa metaliczna jest laminowana, laminowana punktowo lub napylana na właściwą tkaninę. Początkowo rozwiązanie to stosowano jedynie w kurtkach zewnętrznych. W tych produktach aluminium nanoszone było punktowo zapewniając 60% pokrycie powierzchni podszewki. Po sukcesie rynkowym zdecydowano się na wprowadzenie technologii także do bielizny termo aktywne oraz obuwia. Jedno trzeba przyznać pomimo wielu uwag sceptycznych to faktycznie działa i w określonych warunkach sprawdza się. Zaletą Omni Heat jest faktycznie odczuwalna skuteczność technologii. Zwłaszcza w przypadku sytuacji, gdy nasze ciało wydziela mniejsze ilości ciepła, wolny marsz postoje, wędkarstwo podlodowe. Nie jest to jednak odzież do wszystkiego, wady warstwy odbijającej odczujemy w momencie zwęszenia aktywności; szybsze tempo, wzrost nastromienia pokonywanego zbocza etc. W takich przypadkach dość szybko odczujemy lekkie przegrzanie. Przy czym należy zaznaczyć, że amplituda temperatur, w jakich będziemy odczuwać komfort pozostanie zbliżona do klasycznej odzieży. Jak zawsze dobór odpowiednich warstw należy do nas? Omni heat sprawdzi się, więc świetnie tam gdzie aktywność nasza jest umiarkowana. Optymalnym wyjściem była by odzież pozwalająca na regulacje ilości odbijanego promieniowania podczerwonego. Niestety na takie rozwiązanie musimy jeszcze poczekać.
Ponieważ warstwy odbijające podczerwień najlepiej sprawdzają się w sytuacjach umiarkowanej i niskiej aktywności naturalną, więc wnioskiem jest zastosowanie ich w ekwipunku wykorzystywanym w czasie snu.
W Alumatach (Karimata zlaminowana z folią aluminiową), podobnie jak w foli NRC, warstwa aluminium ma za zadanie odbicie promieniowania podczerwonego z powrotem w stronę naszego ciała. Co prawda, w przypadku foli używanej przez służby ratunkowe znaczna część ciepła, jakie odczuwamy pochodzi z wykroplenia pary wodnej, jednak odbicie podczerwieni jest równie ważne. Warto tu też sprostować pojawiające się mity dotyczące alumaty; Używając jej w niskich temperaturach zawsze układamy ja stroną metalizowana do ciała (tak wiem, jest strasznie śliska). W przeciwnym razie straty związane z ogrzewaniem pianki są na tyle duże by podważyć zasadność stosowania warstwy aluminium. Promieniowanie podczerwone musiałoby, bowiem dwukrotnie przejść przez izolator, jakim jest pianka tym samym 2cm alumata daje nam 4cm warstwy pochłaniającej podczerwień. Sporą część tego promieniowania pochłonie też nasz śpiwór. W jego przypadku również będziemy mieli do czynienia z podwajaniem się grubości warstwy pochłaniającej. Czy alumnaty są skuteczne? W pewnym stopniu tak, co prawda odzysk energii jest niewielki jednak odczuwalny. W przypadku karimat, mat samo pompujących czy też materacyków dmuchanych (mile widziane syntetyczne ocieplenie wewnątrz) wersja bez powłoki metalicznej będzie zawsze mniej efektywna energetycznie od produktów ja posiadających. Pamiętać należy jednak, że aluminium, będące najczęściej używanym metalem w powłokach odbijających podczerwień, doskonale przewodzi ciepło. Oznacza to, że mata, na której śpimy nie może być dowolnie wielka, powinna być dobrana do naszego wzrostu. Ciekawym aspektem jest pozycja śpiącego w skrajnych sytuacjach może się okazać, że osoba zwinięta w kłębek straci porównywalną ilość ciepła, z powodu odsłonięcia dużej powierzchni maty, jak osoba śpiąca w pozycji całkowicie wyprostowanej. W takim wypadku nieprzykryta część maty będzie działała jak chłodnica, przy czym od razu zaznaczam są to rozważania teoretyczne, jak do tej pory nie przeprowadzono tego typu badań laboratoryjnych, zaś opinie testujących są rozbieżne. Najrozsądniejszym rozwiązaniem było by przesuniecie ekranu podczerwieni możliwie jak najbliżej ciała użytkownika. Cytując Jarosława Kaczyńskiego to oczywista oczywistość, a ty takie zaskoczenie;
Namioty
Dwa lata temu rozpoczynając dość duży, długofalowy projekt badawczy (prace nadal trwają) ze zdumieniem odkryliśmy, że właściwie nikt nie rozważał takiej możliwości. Pomimo szerokiej dostępności technologii nie stosowano jej, a właściwie poprawniej nie stosowano jej w celu zwiększenia komfortu termicznego w czasie snu. Napylanie aluminium dość szeroko stosowane jest w tropikach namiotów, zwłaszcza tych z hipermarketów. Metaliczna powłoka tam stosowana odbija promieniowanie podczerwone zarówno w stronę użytkownika. Dodatkowo w przypadku rozbicia się np. na festiwalu Openair chroni nas przed przegrzaniem. Tak naprawdę jednak producenci stosują to rozwiązanie by zapewnić tkaninie jakiekolwiek dające się zaakceptować parametry. Niejednokrotnie okazuje się, że namiot taki wytrzymuje mżawkę i w zasadzie na tym się kończy. Sporadycznie powłoki odbijające podczerwień znajdziemy w szturmowych namiotach wyprawowych, w dodatku niedostępnych na rynku (produkowanych na potrzeby konkretnej wyprawy), oraz w produktach wytwarzanych na potrzeby wojska. W tych ostatnich jednak dużo ważniejsza jest powłoka pochłaniając promieniowanie podczerwone pozwalająca na zminimalizowanie wykrycia w noktowizji.
Na dobrą sprawę pierwszym komercyjnie produkowanym „namiotem” z powłoką IR ma szansę stać się ALL-IN-ONE SLEEPING SYSTEM szwajcarskiej firmy Polarmond

Rysunek 4 ALL-IN-ONE SLEEPING SYSTEM firmy Polarmond fot. OutDoor Show
Ten nowatorski produkt łączący w sobie materac śpiwór i namiot cześć swojej skuteczności zawdzięcza właśnie powłoce odbijającej promieniowanie podczerwone. W zeszłym roku na targach Outdoor Show Polarmond zgarnął najwyższą nagrodę za rewolucyjne podejście do ekwipunku. O systemie można by napisać cały osobny artykuł, skupmy się wiec na najbardziej interesującym nas teraz elemencie. Mianowice cała powierzchnia wewnętrzna tunelu otaczającego osobę śpiącą oraz wnętrze górnej części śpiworowej zawiera dodatkową warstwę odbijającą promieniowanie podczerwone w stronę użytkownika. Za testy laboratoryjne produktu odpowiadał instytut badawczy EMPA. Za stronę technologiczna produktu odpowiadał zaś Polarmond oraz firmy z nim współpracujące. Testy laboratoryjne prowadzone w komorze termicznej dały dość zaskakujące rezultaty; W żadnym badaniu nie udało się doprowadzić do spadku temperatury wewnątrz produktu poniżej 15°C (Przy temperaturze otoczenia -35°C). Przy czym częściowo jest to również zasługa zastosowanej warstwy paroszczelnej - Vapour barier. W produkcie tym pełnię komfortu zapewnia znajdujący się wewnątrz inlet rodzaj cienkiego prostokątnego śpiwora zawierającego dodatkowo warstwę pochłaniającą i magazynującą nadmiar wilgoci.

Śpiwór i podczerwień
Do niedawna powłoki metaliczne w śpiworach występowały jedynie w postaci jonów srebra lub „srebrnej nitki”. Ta ostatnia to nic innego jak włókno zamykające w swojej strukturze przestrzennej jony srebra. Rozwiązanie takie stosuje choćby TNF, warszawskie Yeti (Yet/Warmthunlimited) czy też Małachowski. Wymaganie, jakie są stawiane przed takimi tkaninami to jednak nie odbijanie podczerwieni a działanie bakteriostatyczne. Dlaczego nie jednak nie zastosować powłok refleksyjnych w śpiworach? Na targach ISPO 2016 rodzimy Pajak zaprezentował pierwsze na świecie śpiwory wykorzystujące powłokę odbijającą promieniowanie podczerwone. Powłoka IRR znalazła się w śpiworach Radical H16 oraz Radical H8. Tu warto wspomnieć, że Radical H16 nieprzerwanie od 2011 był najcieplejszym śpiworem na świecie w kategorii <1500g. W obecnej wersji mimo zastosowania powłoki IRR nie zmieniono wagi produktu stosując lżejsze tkaniny oraz wyższą rozprężność puchu, (przy czym ilość puchu pozostała niezmieniona zmodyfikowano zaś wymiary komór). Co to daje? Otóż warstwa odbijająca promieniowanie podczerwone znajduje się niemal w bezpośredniej bliskości ciała śpiącego. Jedyną warstwę mogąca częściowo pochłaniać energię jest bielizna użytkownika. Jednocześnie udało się zachować niezmieniony system obiegu pary wodnej w produkcie. Wszystko za sprawą zastosowanej powłoki. Na jednym ogniu udało się upiec dwie pieczenie, bowiem zastosowana warstwa również wykazuje w testach właściwości bakteriostatyczne. Co wykazują badania prowadzone przez EMPA. Ślepe testy polowe (Alpy oraz Himalaje) potwierdzają skuteczność rozwiązania odczuwalnie poprawiając komfort użytkownika. Testy laboratoryjne potwierdzają te odczucia.
Obecnie na ukończeniu jest proces certyfikacji Pajak-owych śpiworów wg EN13537 prowadzone przez TZU z Brna. Zarówno EMPA jak i TZU uważają, że powłoka IR może nie wpływać (lub wpływ będzie minimalny) na zakresy temperatur. Jest to jedno z dwóch zastrzeżeń podnoszonych do obecnej wersji normy. Dla przypomnienie EN13537 pozwala wyceniać w powtarzalnych i porównywalnych warunkach izolacyjność śpiworów dla ustandaryzowanych parametrów fizycznych kobiety i mężczyzny. Ze względu na sposób przeprowadzania testu (grzałka zamknięta wewnątrz manekina) nie jest on z punktu widzenia emisji podczerwieni nawet zbliżony do warunków panujących w śpiworze w realnych warunkach. Drugim zastrzeżeniem jest pominięcie obiegu pary wodnej a tym samym de facto faworyzowanie powłok membranowych, których w warunkach praktycznych bywają dyskusyjne. Ten temat szerzej zostanie poruszony w kolejnej części.
Zyski Energetyczne
To najciekawsze zagadnienie. Czy gra jest warta świeczki? Otóż warto odzyskać możemy nawet 48% (zgodnie z danymi EMPA) wydzielanego przez nas ciepła. Obniżając tym samym wysiłek energetyczny organizmu. Tym samym poprawiając komfort i tempo regeneracji ciała oraz niejako przy okazji zmniejszając zapotrzebowanie na energię Tym samym bardziej wypoczęci i z mniejszym zapotrzebowaniem kalorycznym zapewniamy sobie nie tylko większa sprawność fizyczna w niesprzyjających warunkach, lecz również pośrednio wpływamy na komfort psychiczny niejednokrotnie niedoceniany przez początkujących outdorowców.

Za współpracę przy artykule dziękuję Instytutowi EMPA (oddział w St.Gallen), TZU z Brna oraz firmie Polarmond.
zgodnie z regulaminem NGT:
OD 2003 zawodowo R&D                      powiązania: aerosize crux huzar lesovik lightwave ortovox pajak patizon....
redaktor: outdoormagazyn, 4outdoor,    organizacje: POG  EOCA
Odpowiedz


Skocz do: