Neuer Helm schützt Kopf und Hirn

Konventionelle Helme können Schädelbrüche verhindern, nicht aber durch kinetische Energie entstehende Hirnverletzungen. Ein Prototyp mit mehreren Polymer-Schichten soll das ändern – und er lässt sich immer wieder einsetzen.

Bislang haben Helm-Entwickler eine der wichtigsten Ursachen für Verletzungen des Hirns nicht berücksichtigt: die kinetische Energie, die sich nach einem Aufprall durch den Kopf bewegt und das Hirn innerhalb des Schädels herumwirft. Das jedenfalls sagt Ellen Arruda, Professorin für Maschinenbau an der University of Michigan, die ein Projekt leitet, mit dem sich das ändern soll. Zusammen mit Kollegen hat sie jetzt einen Prototypen für eine neuartige Helm-Technologie vorgestellt, die einen Großteil der kinetischen Energie aufnehmen soll, bevor sie auf das Hirn wirken kann.

Football-Helme sind im Lauf der Jahre immer besser geworden, und einige der Veränderungen an ihnen lassen bereits erkennen, dass es dabei um die Verminderung des Risikos für Hirnverletzungen ging. Heute sind die Helme zwar gut darin, die Wucht eines Aufpralls zu absorbieren und so Schädelbrüche zu verhindern, doch laut Arruda gibt es auf dem Markt noch keinen, der auch einen großen Teil der kinetischen Energie schluckt. Das gleiche Problem besteht bei Helmen für das Militär.

In Labortests mit einem Modell von Schädel und Hirn verringerte der Prototyp von Arrudas Gruppe sowohl die Kraft des Aufpralls als auch den dadurch entstehenden kinetischen Impuls im Vergleich zu einem normalen Helm um mehrere Größenordnungen.

Die grundlegende Herausforderung bei der Entwicklung eines Helms, der Schädel und Hirn gleichermaßen schützt, ist eine mechanische, sagt Arruda. Also müsse zunächst einmal das richtige Material gefunden werden. Der Schädel selbst sei elastisch, so dass er wenn überhaupt nur einen kleinen Teil der kinetischen Energie absorbieren könne. Also endet der Großteil davon beim Hirn, und da es nicht fest mit dem Schädel verbunden ist, sondern in Rückenmarksflüssigkeit schwimmt, schwappt es herum, was zu Verletzungen führen kann.

Ein Helm, der beim Aufprall zerbricht oder sich verformt, könnte davor schützen. Für Soldaten oder Fahrradfahrer mag das eine gute Methode sein, ein praxistauglicher Football-Helm aber muss mehrere Spiele mit mehreren Zusammenstößen überstehen. „Unser Ansatz ist für dauerhafte Nutzung ausgelegt“, sagt Arruda. Der Schlüssel dafür ist ein Material mit so genannten viskoelastischen Eigenschaften – beim Verformen verhält es sich sowohl zähflüssig wie Honig als auch elastisch wie Gummi. Häufig eingesetzt werden solche Materialien in Stoßdämpfern.

Die äußerste Schicht des Prototypen besteht aus einem relativ steifen Polymer. Die nächsten beiden Schichten (schwarz) sind aus einem weniger steifen Polymer gefertigt, anschließend folgt das viskoelastische Material. Die vierte Schicht ist ein „Komfortschaum“ wie in konventionellen Helmen. Die letzten Schichten werden für Tests benutzt und sind Platzhalter für Schädel und Hirn.

Damit besteht der Prototyp aus drei preisgünstigen Polymeren, darunter einem viskoelastischen. Zusammen absorbieren sie die Druckwelle, die sich nach einem Aufprall durch den Kopf bewegt. Arruda und Kollegen haben eine Methode entwickelt, bei der die Eigenschaften der ersten beiden Schichten so genutzt werden, dass sie zur „Abstimmung“ der Welle dienen: Wenn sie auf die viskoelastische Schicht trifft, hat sie eine Frequenz, die von dem Material absorbiert werden kann. Dasselbe Prinzip, das die Forscher vor kurzem in einem Fachaufsatz beschrieben haben, lässt sich auch für bessere Helme für Soldaten nutzen.

Vor kurzem hat die Gruppe ein Preisgeld von 250.000 Dollar als einer von fünf Finalisten bei einem von der National Football League, General Electric, Under Armour und dem National Institute of Standards and Technology (NIST) ausgerichteten Wettbewerb gewonnen. Jetzt hat sie fünf Jahre Zeit, um ihr Konzept zu optimieren und dem NIST vorzulegen, das dann weitere Tests vornimmt und den endgültigen Sieger kürt.

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