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Jun 30, 2023

Die gewundene Reise eines Innovators zur Lösung von Hitzekrisen und zur Rettung von Leben

Jonathan Klane, MSEd., CIH, CSP, CHMM, CIT, ist leitender Sicherheitsredakteur für Lab Manager. Seine EHS- und Risikokarriere erstreckt sich über mehr als drei Jahrzehnte in verschiedenen Rollen als ... Wenn Sie schon einmal Hitze erlebt haben

Jonathan Klane, MSEd., CIH, CSP, CHMM, CIT, ist leitender Sicherheitsredakteur für Lab Manager. Seine Karriere im Bereich EHS und Risiko erstreckt sich über mehr als drei Jahrzehnte in verschiedenen Rollen als ...

Wenn Sie jemals einen Hitzschlag erlebt haben, wünschen Sie sich möglicherweise verbesserte Kühlmethoden. Für einen Ingenieur bietet ein biomimischer Ansatz, der von seiner Neugier auf Klapperschlangen angetrieben wird, die Regenwasser von ihrer Haut trinken, eine mögliche Lösung.1 Der Weg zu dieser Lösung war lang.

Für diesen Innovator wirkte sich seine frühe Ausbildung viele Jahre später direkt auf seine Forschung aus. Zu diesen Einflüssen gehörten viele scheinbar unabhängige Kindheitserlebnisse – 13 Mal umziehen, antike griechische Geschichte studieren, fortgeschrittene Mathematik und Filmfotografie und sogar eines Sommers Zeit mit einem Koch in einem polnischen Restaurant verbringen.

Konrad Rykaczewski ist außerordentlicher Professor an der School for Engineering of Matter, Transport and Energy (SEMTE) der Arizona State University und Global Futures-Wissenschaftler am Julie Ann Wrigley Global Futures Laboratory.2 Er und seine Mitarbeiter arbeiten an der Entwicklung einzigartiger Werkzeuge zur Verhinderung von Hitzetoten in die Wüstenhitze von Arizona.3

Eltern beeinflussen den Bildungsweg ihrer Kinder oft auf unvorhersehbare Weise. Rykaczewski wurde von seiner Mutter, einer Künstlerin, und seinem Vater, einem Kernphysiker und Spektroskopieleiter am Oak Ridge National Lab (ORNL), beeinflusst, der Teil des Teams war, das Element Nr. 117 – Tennessee – entdeckte. Es sorgte für einen beeindruckenden und hilfreichen Rahmen.

Rykaczewski wurde in Westdeutschland geboren, seine Familie zog jedoch 13 Mal um. Dies führte dazu, dass ich in vier Ländern zur Schule ging: Deutschland, Polen, Frankreich und den USA. Er betrachtet diese Schritte als einen positiven Einfluss mit zwei coolen Ergebnissen: „Ich durfte dreimal antike griechische Geschichte studieren. In Polen wird Mathematik früher unterrichtet als hier. Es gab einen fortgeschrittenen Lehrplan und mir gingen die Mathematikkurse aus. Dadurch konnte ich als Oberstufenschüler etwa einen halben Tag pro Woche am ORNL forschen.“

ORNL hat mit zwei bedeutenden Berufserfahrungen noch das Doppelte einkalkuliert. „Ich absolvierte ein einjähriges High-School-Praktikum in der Physikabteilung des ORNL und arbeitete später als CAD-Designer am Bau einer Spallations-Neutronenquelle.“ Als Teenager nahm er auch an einer Wissenschaftsolympiade teil. Diese Erfahrungen waren der Beginn seiner wissenschaftlichen Erkundungen. Aber weder sein Leben noch seine Leidenschaften waren ausschließlich mit MINT-Fächern verbunden – sowohl sein Interesse an der bildenden Kunst als auch sein kulinarisches Fachwissen kamen ihm zugute.

Rykaczewskis Leidenschaft für Kreativität und bestimmte Künste unterstützte seine wissenschaftlichen Ansätze. Während seines Chemie-, Mathematik- und Physikstudiums experimentierte er mit Schwarz-Weiß-Filmfotografie. Dies trug dazu bei, seine Ansichten von Wissenschaft und Kunst zu festigen, seine Zukunft war jedoch noch unklar. „Ich hatte noch keine konkrete Vorstellung davon, was ich studieren sollte.“ Diese Unsicherheit würde für Rykaczewski anhalten. Aber mit jeder neuen Lernerfahrung konzentrierte sich seine Leidenschaft und wuchs immer mehr.

Er genoss künstlerische Beschäftigungen; Bei der Filmfotografie waren die „15 Minuten vor der Aufnahme“ voller Fragen, die künstlerisches Gespür erforderten. Dann war die Entwicklung seiner Fotos in der Dunkelkammer ein weiterer spannender Teil des Prozesses. „Ich war gelangweilt davon, wie einfach es mit der digitalen Fotografie ist, so viele Fotos zu machen, wie man möchte.“ Seine Leidenschaft, sich ständig selbst herauszufordern, würde ihm viel später in seiner wissenschaftlichen Karriere gute Dienste leisten.

Rykaczewski wurde von seiner Mutter, einer Künstlerin, und seinem Vater, einem Kernphysiker und Spektroskopieleiter im Oak Ridge National Lab, beeinflusst, der Teil des Teams war, das Element Nr. 117 – Tennessee, entdeckte.

Normalerweise verbrachte er die Sommer in Polen, aber irgendwann in der High School konnte er Tennessee nicht verlassen, weil seine Green Card verspätet war. Dies wäre zwar eine Enttäuschung, würde aber Lernmöglichkeiten schaffen. „Aus Langeweile und Neugier bin ich durch die Kochabteilung der Bibliothek gegangen – [es war] ein Sommer voller Lernen! Ich habe auch mit dem Koch in einem polnischen Restaurant rumgehangen.“ Er lernte die Kunst und Wissenschaft des Kochens – und wie sich herausstellte noch mehr.

Rykaczewski genoss vielfältiges Lernen – die physischen Aspekte des praktischen Lernens, die mentalen Herausforderungen bei Computerstudien und den Spaß am Experimentieren mit Elektronenmikroskopen. Dennoch fragte er: „Was möchte ich werden, wenn ich groß bin? Woher kommt dieses oder jenes? Was fehlt?" Er verspürte das Bedürfnis, die Wissenschaft zu verstehen und herauszufinden, was in unserem Wissen fehlt, um echte Probleme zu lösen.

Ursprünglich plante er, Chemieingenieurwesen zu studieren, wechselte jedoch am ersten Tag seines Studiums zum Maschinenbau. Er lacht: „Es gab zu viele Formeln in der Chemietechnik!“ Er schaffte es, seinen BS in drei Jahren und seinen MS und Ph.D. in vier Jahren zu erlangen. Seine fotografische Erfahrung kam ihm dabei zugute – er studierte Kohlenstoffnanoröhren, Elektronenmikroskopie und die Umwandlung von 2D-Bildern in 3D-Drucke mithilfe von Nanostrahlen (d. h. elektronenstrahlinduzierte Abscheidung).

Nach Abschluss seiner Doktorarbeit war Rykaczewski als Postdoktorand am National Institute of Standards and Technology und am Massachusetts Institute of Technology tätig. Die Verantwortlichen seines Postdocs sagten ihm: „Geht und habt Spaß.“ Man musste es ihm nicht zweimal sagen. „Es lief fantastisch“, bemerkte Rykaczewski. Er untersuchte die Verbesserung der Kondensation und Enteisung mithilfe nanotechnisch hergestellter Oberflächen und wie diese funktionieren, indem er mit neuartigen Elektronenmikroskopen und Kameras experimentierte. „Zum Beispiel habe ich ein Umweltelektronenmikroskop optimiert, um das Wachstum von perfekt kugelförmigen Tröpfchen mit einer Größe von weniger als 4 Mikrometern auf einer superhydrophoben Oberfläche im Detail abzubilden. Es ist gute Wissenschaft und ich hatte Spaß!“ Seine über 90 Forschungspublikationen bauen kontinuierlich aufeinander auf und erleichtern so Innovationen.4

Rykaczewski hatte seinen Doktortitel und einen erfolgreichen Postdoc-Abschluss, umgeben von den klügsten Köpfen und mit der besten Ausrüstung der Welt. Dennoch empfand er es nicht als erfüllend. „Aber was hat das zu bedeuten?“ fragte er sich. Ihm war das Thema seiner Doktorarbeit langweilig geworden – was nun?

In einem heißen Kochtopf entsteht durch den Leidenfrost-Effekt ein „Dampfpolster“, das dazu führen kann, dass sich Wassertropfen bewegen und fast tanzen. Damit prüfen Köche, ob ihre Pfanne heiß genug ist. Rykaczewski sah dies zum ersten Mal in dem polnischen Restaurant, in dem er in der High School herumlungerte. Jahre später verknüpfte er diese Erfahrung mit seinem wissenschaftlichen Fachwissen und entwickelte ein Interesse an Hydrophobie. Aus diesem Grund untersucht er heute Feuchtigkeit und Hitze aus nächster Nähe und persönlich. Er ist fasziniert von den Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen, insbesondere aus der Nähe, und nutzt fortschrittliche Mikroskopiewerkzeuge, erstklassige Messtechnik und Thermowissenschaften, um sie mikroskopisch zu verstehen.

Obwohl Rykaczewski ein kreativer und produktiver Forscher ist, weiß er, dass er sich nicht nur mit Veröffentlichungen und Patenten zufrieden geben kann. Er möchte seine Kreativität nutzen, um etwas von tieferer Bedeutung zu erreichen, und sich darauf konzentrieren, wie er anderen helfen kann. Jetzt nutzt er sein wissenschaftliches Fachwissen, um Menschen bei der Bewältigung ihrer Hitzebelastung zu helfen.

In Arizona ist die Hitze verheerend. Vor Tagesanbruch sind es oft über 30 °C oder drinnen ohne Klimaanlage 30 °C bis 30 °C. Wenn Sie hitzeunverträglich sind, ist es noch schlimmer. Viele Bewohner Arizonas möchten draußen sein, aber die Hitze treibt sie wieder nach drinnen. Auf der Suche nach sinnvolleren Unternehmungen beschloss Rykaczewski, dieses Problem anzugehen. „Wir wissen, dass der Klimawandel Anpassungen erfordert. Was kann ich angesichts der jüngsten gesundheitlichen Probleme, die ich bei vielen anderen, darunter auch bei einem Familienmitglied, beobachtet habe, tun? Gibt es Innovationen, die Menschen als Individuen helfen können?“

Er beschloss, denjenigen zu helfen, die am stärksten gefährdet waren, und begann, die Unterschiede bei Menschen zu quantifizieren, die unter starker Hitze leiden. Es gibt Vorhersagemodelle, aber die Vielfalt der Körper und Toleranzunterschiede stellen eine große Herausforderung dar. Er meint: „Die Dinge, die wir schätzen, wie zum Beispiel angenehmer Komfort, treiben Innovationen wie konforme Kleidung voran, die dabei hilft, den Körper zu kühlen.“

Die National Science Foundation finanzierte kürzlich einen vierten Zuschuss für seine und die Labore anderer zur Untersuchung der Schweißverdunstungsraten. „Wir wissen viel über Schweiß … aber nicht im Mikromaßstab.“ Sie verwenden drei verschiedene bildgebende Geräte, um den Schweiß zu untersuchen, der aus einer oder mehreren Drüsen und Poren austritt und sich dann wieder in Tröpfchen verwandelt. Er erklärt: „Physiologie, Schweißfrequenz und Kapseln erfordern jeweils unterschiedliche Bildgebung. Also gehe ich mithilfe der optischen Kohärenztomographie (OCT) in 3D unter die Oberfläche.“ OCT kann Bilder bis auf einen Mikrometer auflösen, was eine direkte und Live-Bildgebung ermöglicht – es wird als „optischer Ultraschall“5 bezeichnet

Rykaczewski hatte seinen Doktortitel und einen erfolgreichen Postdoc-Abschluss, umgeben von den klügsten Köpfen und mit der besten Ausrüstung der Welt. Dennoch empfand er es nicht als erfüllend.

Als Wärmetechniker beschäftigt er sich mit Temperaturgradienten – im Grunde damit, wie stark und wie schnell sich die Temperaturen sowohl in der Umgebung als auch in verschiedenen Körperteilen ändern. Ein Großteil von Rykaczewskis Forschung konzentriert sich auf Kühlbekleidung, aber seine Studenten konzentrieren sich auf etwas anderes: die Mikroelektronik. „Die meisten Doktoranden meiner Gruppe arbeiten in der Halbleiterindustrie; Fünf sind zum Beispiel hier im Tal bei Intel.“

Rykaczewski hebt die damit verbundene Arbeit seiner Mitarbeiter hervor, darunter Jennifer Vanos, PhD, und Ariane Middel, PhD, sowie andere im Ingenieurwesen. Sie haben eine thermische Puppe namens ANDI; Mit 35 verschiedenen Zonen geht und atmet es.6

Er erklärt: „Die Puppe wurde speziell angefertigt, um die erste auf der Welt zu sein, die routinemäßig im Freien verwendet wird, insbesondere unter extremen Hitzebedingungen. Normalerweise wird es in einer Wärmekammer verwendet, die wir in der neuesten Forschungseinrichtung der ASU haben.“7

Rykaczewski und seine Mitarbeiter sind Metrologen. Er erklärt: „Wissenschaftler der Metrologie messen Hitzeexpositionen, oft als mittlere Strahlungstemperatur oder MRT. Für die Strahlung kann man billige Instrumente wie einen Tischtennisball mit Thermoelement verwenden. Eine bessere Option ist ein maßgeschneidertes Forschungsinstrument wie „MaRTy“ [mobiler MRT-Wagen] der ASU, hergestellt von Middels Laborteam.8 Das Problem bei diesen Geräten und Modellen besteht darin, dass sie davon ausgehen, dass Menschen Kugeln oder Zylinder sind.“

Aus diesem Grund haben Forscher Thermopuppen entwickelt; Sie sind die realistischsten „Strahlungsthermometer“. Sie können auch verwendet werden, um die Konvektion des menschlichen Körpers in realen Umgebungen zu bewerten. Beispielsweise sind die Windgeschwindigkeiten schwankend und Luftturbulenzen können den Wärmekoeffizienten verdoppeln.

Viele Untersuchungen verwendeten einen durchschnittlichen weißen männlichen Körper. Stattdessen verwendet Rykaczewski 3D-Körperformen erwachsener Bevölkerungsgruppen in den USA, die viel vielfältiger sind. Sie haben 60 digitale Computerpuppen mit unterschiedlichen Körpergrößen, BMIs, Männern und Frauen usw. erstellt. Zunächst verwenden sie einen silbernen Farbton/Ton ohne Hauttöne, den sie später hinzufügen können.

Obwohl er kein großer Science-Fiction-Fan war, war Rykaczewski von den ersten sechs Büchern und der Verfilmung von „Dune“ aus dem Jahr 2020 begeistert. Die Geschichte handelt von einem Planeten, auf dem Wasser so kostbar ist, dass die Menschen spezielle Anzüge tragen, um das von ihnen produzierte Wasser zu ernten und zu recyceln. Bei Kleidung, die zum Kühlen konzipiert ist, muss man im Mikromaßstab beginnen und sich dann bis zum Maßstab des menschlichen Körpers steigern. Gemeinsam mit Kooperationspartnern versuchen sie, nicht nur Kleidung zu entwerfen, die den Träger kühlt, sondern auch „Rucksack-Exoskelette“ als unterstützende Mechanismen.

Kühlende und cool aussehende Kleidung kann sowohl praktisch als auch modisch sein. Er schreibt: „Vieles konzentriert sich auf medizinische, militärische und spezielle Anwendungen. Aber es wird für die breite Bevölkerung benötigt.“ Das ist sein Ziel: so vielen Menschen wie möglich zu helfen, die unter dem heißeren Wetter unserer Zukunft leben werden. „In fünf bis zehn Jahren hoffen wir, ein besseres Verständnis dafür zu haben [welche Innovationen den Menschen am besten helfen] und unsere Hitzeanpassungen zu verbessern.“9

Er blickt auf seine Reise zurück – sowohl schulisch als auch beruflich. „Ich hätte es besser machen können mit ‚Was möchte ich tun?‘“ Diese pädagogische Selbstkritik ist weit verbreitet. Ungewöhnlich ist, dass er immer noch eng mit seinem Doktorvater befreundet ist. Dies hat zweifellos Einfluss darauf, wie er mit seinen Schülern umgeht und wie sich seine unvorhersehbare, aber zufällige Ausbildung auf ihn auswirkte.

Rykaczewski bringt es auf den Punkt: „Ich habe gelernt, eine gesunde Einstellung gegenüber Wissenschaft und Wissenschaft zu haben, interessante und potenziell gesellschaftlich wichtige Forschung zu betreiben und gleichzeitig kleine explorative Nebenprojekte durchzuführen (z. B. die Faszination für die Eigenschaften der Klapperschlangenhaut!).“ Seine Leidenschaft für die künstlerische Seite hilft ihm eindeutig dabei, weiterhin Innovationen zu entwickeln, die dazu beitragen, Leben zu retten.

Seine Serpentinenreise hat sich in vielerlei Hinsicht ausgezahlt und wird dies wahrscheinlich auch in der Sonora-Wüste von Arizona tun. Todesfälle durch Hitze kommen viel zu häufig vor und werden sich in Zukunft wahrscheinlich verschlimmern. Kühlende tragbare Technologie kann nicht früh genug kommen.

Verweise: