Elektromagnetische Strahlung von Systemen wie Radar- und Kommunikationsnetzwerken kann für den menschlichen Körper – und insbesondere für das Nervensystem – schädlich sein. Um die möglichen Auswirkungen einer solchen Strahlenbelastung auf den Menschen zu verstehen, müssen Forscher empirisch ermitteln, wie die Strahlung in das Gewebe eindringt, ohne dabei auf lebendes Gewebe zurückgreifen zu müssen.

Ein gemeinsames Projekt von Forschern des „Army Research Laboratory“ (Teil des U.S. Army Combat Capabilities Development Command, kurz DEVCOM) und studentischen Praktikanten des „Energetics Technology Center“ konzentriert sich auf die Simulation von Ersatzmaterialien. Diese Materialien bilden die elektrischen Eigenschaften von Haut, Gehirn und Knochen nach und ermöglichen so Messungen unter verschiedensten Einsatzbedingungen.

„Um die Einsatzkräfte besser zu schützen, investiert DEVCOM ARL in die Entwicklung von Modellwerkzeugen und Materialien für die neurowissenschaftliche Untersuchung von Gewebe“, sagte Dr. Dave Hairston, Neurowissenschaftler am ARL. „Durch die Entwicklung von Verfahren zur Nachbildung von menschlicher Haut, Knochen- und Nervengewebe können Wissenschaftler der Army die biologischen Auswirkungen extremer Gefahren auf dem Schlachtfeld – wie etwa Strahlenbelastung – gefahrlos analysieren. Diese Grundlagenforschung fließt direkt in die Konstruktion und Materialzusammensetzung moderner Schutzausrüstung für unsere Soldaten ein.“

Die meisten Arbeiten zur Herstellung von Gewebe-Surrogaten konzentrieren sich auf deren mechanische Eigenschaften, etwa für ballistische Tests oder Dehnungsprüfungen, so die Forscher. Die Wissenschaftler von ARL und ETC verfolgen einen neuartigen Ansatz, der die Wechselwirkung von Elektromagnetismus mit Haut oder Schädel nachbildet.

Damit die Materialien wirksam sind, müssen sie laut Hairston ähnlich wie lebendes Gewebe auf elektromagnetische Felder reagieren und vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweisen. Daher experimentieren die Forscher mit Methoden, die es ermöglichen, verschiedene Gewebearten zu simulieren – sowohl hartes Gewebe wie Knochen als auch weiches Gewebe wie Haut oder Gehirn.

Die neuen Materialrezepturen der Forscher enthalten Stoffe, die den Wassergehalt stabilisieren und bei Raumtemperatur über Monate hinweg lagerfähig sind, ohne ihre elektrischen Eigenschaften zu verlieren.

Frühere Materialien, die auf diese Weise zur Simulation von Weichgewebe eingesetzt wurden, neigten zum Austrocknen oder erforderten Kühlung bzw. spezielle Konservierung, was Probleme hinsichtlich Lagerfähigkeit und Verwendbarkeit mit sich brachte.

Zudem besitzt natürlicher Knochen einzigartige elektromagnetische und strukturelle Eigenschaften, die sich mit Standardmaterialien wie Metallen oder Kunststoffen nur schwer nachbilden lassen.

Die Forscher lösten dieses Problem durch den Einsatz eines neuen Computerprogramms und 3D-Harzdrucks, um ein knochenähnliches Material mit präzisen, künstlichen Poren herzustellen. Indem sie diese Poren mit leitfähigen Gelen füllen, können sie die einzelnen Eigenschaften des Materials gezielt anpassen und steuern.

„Die aktuelle Forschung und Entwicklung im Bereich der elektromagnetischen Übertragung oder der biologischen Auswirkungen wird durch das Fehlen geeigneter Testvorrichtungen gebremst“, sagte Chris Sinks, Bioingenieur am ARL. „Diese Gewebe-Substitute ermöglichen schnelle, effiziente und reproduzierbare Tests der biologischen Auswirkungen sowie der sicheren Expositionsgrenzwerte für aktuelle und zukünftige Hochfrequenzsysteme, die zur Kommunikation oder Aufklärung eingesetzt werden. Zudem beschleunigen sie den Forschungsprozess und bieten präzisere und effizientere Möglichkeiten für Experimente sowie für das Verständnis sicherer Expositionsgrenzwerte.“

Die Forscher erklärten, dass diese Materialien auch zum Testen von Gesundheitsüberwachungssystemen – etwa in Hemden oder Helmen integrierten Sensoren – verwendet werden können, was einen weiteren Beitrag zur Sicherheit und Gesundheit unserer Soldaten leistet.