Foto: Børge Ousland (selvportrett)

Iskald beregning

Polfarer Børge Ousland og stipendiat Sindre Sandbakk har én ting […]

Polfarer Børge Ousland og stipendiat Sindre Sandbakk har én ting felles: De har ingenting imot å presse kroppen sin hardt i bitende kulde. Prestasjonene deres vekker forskernes interesse.

Sandbakk er 70 kilo og måler 1.72 på strømpelesten. Han har et O2-opptak på 78, hvilepuls godt under 40 – og et nært og varmt forhold til sine ti par ski, samt idrettslaget NTNUI-langrenn. Nå står han klar i Arbeidsfysiologisk laboratorium ved SINTEF, iført en rød, tynn og trang langrennsdress fra Swix, svart lue og joggesko.

Den unge mannen er en av dem som frivillig har løpt i tosifrede kuldegrader til melkesyra sa stopp – for forskningens skyld. I dag skal han på nytt – av fri vilje og mot beskjeden betaling – presse sin egen kropp inn i fasen forskerne kaller «total utmattelse». Imens vil han være festet til 13 termistorer (små temperatursensorer), ledninger, slanger og en datamaskin som vil avsløre det aller meste om hans prestasjoner og reaksjoner.

Men han gruer seg ikke. Løpet er av den snille sorten denne dagen: Forskerne har satt gradestokken til 15 plussgrader – fordi de også trenger referansedata til Sandbakks prestasjoner i minus 20.

– Testene vil gi oss generell kunnskap om hvordan menneskekroppen presterer i kulde; hvordan og når kulda svekker oss, sier forsøksleder Øystein Wiggen ved SINTEF, og trekker fram en graf som kalles Ramsey-kurven.

SLIK REAGERER KROPPEN PÅ KULDE

rep_kulde3

 

Mennesket er fysiologisk best tilpasset et liv i varme. Naken er vi komfortabel med en temperatur på 28-33 grader C. I indre organer som hjerte, lunger og hjerne er 37 grader det optimale for å fungere godt. Muskler yter best ved litt høyere temperatur.

Kroppen produserer varme selv – nok til å balansere varmetap til omgivelsene. Med én gang vi legger oss ned på sofaen, reduseresvarmeproduksjonen, og vi trenger ekstra isolasjon som et pledd.

Fingre og føtter er mest utsatt for varmetap. Ved 8 minusgrader blir fingrene numne og klumsete. Det er vanskelig å knytte skolissa eller ta opp glidelåsen eller håndtere instrumenter. Under 15 grader minus forsvinner bevegelighet og finmotorikk gradvis. Mental yteevne påvirket også ved temperaturer lavere enn dette.

Varmetapet skjer fra overflaten, og kroppen avkjøles først i periferien. Kroppen beskytter seg mot varmetap ved å kutte ut blodforsyn ingen i det ytterste hudlaget og trekke blodet inn i kroppen. Da går varmetapet saktere.

Eneste måte å få hender og føtter varme på, er å få kroppen til å sende varmt blod ut i organene igjen. Det mest effektive er fysisk aktivitet.

Med klær lager vi et mikroklima inn mot kroppen som holder 28-33 grader. Med god isolasjon er temperaturen på overflaten av klærne tilnærmet den samme som omgivelsene, og bidrar til å forsinke varmetapet fra kroppen.

Kurven ser ut som en stor U – og viser hvor fort ulykkesrisikoen faktisk øker dersom ute-temperaturene er over eller under 18 grader. Mens Ramsey gjorde sine forsøk fra fem til 31 grader celsius, jobber forskerne på SINTEF med tester i spekteret mellom 15 plussgrader og helt ned i 25 kuldegrader.

Kalde fakta

Forsøket som nå skal i gang, er ett av 100 i rekken. Det overordnede målet med prosjektet som kalles ColdWear, er å samle fysiologiske data om våre reaksjoner i kulde. Dataene vil gi forskerne kompetanse til å utvikle det de kaller avansert beskyttelse av mennesker som skal operere i de tøffeste klimasonene våre, som Sibir og Arktis.

Ett av produktene forskerne ser for seg, er «intelligente» ekstremklær: Teknisk bekledning for toppidrettsutøvere står også på forskernes liste over potensielle produkter somkanskje vil se dagens lys på grunn av dette prosjektet.

Totalt er 21 personer testet ved seks ulike temperaturforhold – fra pluss tjue til tjuefem kuldegrader i løpet av tre måneder. I tillegg har forskerne gjennomført forsøk i såkalt «manuell yteevne». Det gir dem innblikk i hva kulden gjør med vår evne til å utøve både konsentrasjon og finmotoriske oppgaver i ulike temperaturer, noe som er svært relevant for industrien.

Ingen forskningsteam i verden har før testet mennesker i ekstrem kulde på denne måten. Snart skal tallene fra forsøkene systematiseres. Resultatet vil bli en database med kalde fakta.

– Det vi har fått fram av resultater så langt, viser at kulde har stor effekt både på fin og grov motorikk. Det viser at behovet for nye bekledningskonsepter er stort, sier Øystein Wiggen.

Ekstrem virkelighet

Mens Sandbakk gjøres klar til å entre tredemølla, stikker forsker Hilde Færevik hodet innom for å se at alt går etter planen. Hun er prosjektleder i «ColdWear».

– Det er ikke mulig å forestille seg hvordan det er å jobbe i de aller tøffeste klimaområdene, hvor det kan bli så kaldt som 60 minusgrader. Det er klart at det er behov for avansert beskyttelse når man skal jobbe under slike forhold. Og det må man, for teknisk utstyr krever konstant vedlikehold i ekstremkulda. Derfor er testene som foregår nå, en viktig del av Cold Wear-prosjektet, sier hun, og lufter noen av ideene forskningsmiljøet ved SINTEF jobber med:

«Det er ikke mulig å forestille seg hvordan det er å jobbe i disse områdene, hvor det kan bli så kaldt som 60 minusgrader»

Forsker Hilde Færevik

– Vi ser for oss klær i funksjonelle materialer, som for eksempel kan lagre overskuddsvarme fra kroppen, som igjen kan hentes ut av tøyet når det blir kaldt. Vi arbeider også med å utvikle klær med integrerte sensorer – som både overvåker personen som har dem på, og som kan kommunisere med omverden, forteller Færevik.

Hun understreker at virkeligheten byr på langt verre klima enn hva forskerne kan simulere i laboratoriet. Derfor er håpet at SINTEF-satsingen kan bli både nyttig og lønnsom. Beregninger viser at en tredjedel av verdens oljereserver befinner seg i arktiske områder. Oljeselskapene og entreprenørene som går inn i disse områdene, står foran enorme HMS-utfordringer, – i tillegg til de tekniske.

Derfor vil en del av forskningen bestå av å gjøre intervjuer med mennesker som har levd i ekstreme kuldeforhold. Børge Ousland er en av dem forskerne har planer om å intervjue.

– En polfarer som ham sitter med unike erfaringer som er nyttige for oss, sier Færevik.

En times hardkjør

Sandbakk er straks klar. Tredemølla er ikke innstilt på søndagstur, men på aerob utfoldelse, og vifta som nesten måler en meter i diameter, vil sørge for å gi ham tilstrekkelig luftmotstand.

– All luft som går ut og inn av systemet til Sandbakk, måles av denne. Det gjør det mulig for oss å måle oksygenopptak, hvor hardt han jobber og hvor mye varme han produserer, forklarer forsøksleder og stipendiat Øystein Wiggen.

Så sendes langrennsløperen inn til forsøksmølla, hvor han i dag skal gjennomføre fire løp som gradvis vil bli hardere, før han skal avslutte med å gi alt – en såkalt maksimaltest til utmattelse. Forsøkslederen følger nøye med på dataskjermenes kurver fra første stund. Ingenting er overlatt til tilfeldighetene. Det hele må gå riktig for seg. Om det oppstår mistanke om at noe er galt med langrennsløperen, avbrytes forsøket umiddelbart.

Sandbakk er nå i gang med oppvarmingen. Så starter økta med gjentatte stigende «drag» på ti minutter – etterfulgt av to minutters pauser for melkesyretester.

Jakten på den perfekte sensor

Femti mil unna er IKT-forsker Trine Seeberg ved SINTEF i Oslo opptatt med en annen problemstilling: Hvordan kan man feste sensorer og elektronikk på tekstil på en best mulig måte?

En såkalt Hans Rudolf-ventil plasseres i munnen på Sindre Sandbakk. Sammen med neseklype blir dette et lukket system. Testen avslører Sindres maksimale evne til å ta opp oksygen – og kartlegger hvor han har melkesyreterskelen. Foto: Thor Nielsen

En såkalt Hans Rudolf-ventil plasseres i munnen på Sindre Sandbakk. Sammen med neseklype blir dette et lukket system. Testen avslører Sindres maksimale evne til å ta opp oksygen – og kartlegger hvor han har melkesyreterskelen.
Foto: Thor Nielsen

– Vi tenker oss at vi kan integrere sensorer i klær som for eksempel måler hjerterate, pusterate, aktivitetsnivå, eller fukt- og temperaturnivå. Eller kombinasjoner av disse.

Forskerne ser for seg at dataene som registreres av sensorene, for eksempel kan kobles til personens mobiltelefon. Den kan igjen sende informasjonen videre gjennom en trådløs dataoverføring til ett kontrollrom. Med slike sensorer kan både helsetilstand og arbeidsforholdene overvåkes – noe som gjør det mulig å avbryte arbeidet dersom det er på sin plass.

– Overvåkingen vil gi et bilde av risikonivået til personer som jobber under ekstreme forhold, som ved Stockman-feltet i Russland, sier Seeberg.

Men å utvikle slike måle-sensorer er en av de store utfordringene dette prosjektet byr på: Denne type elektronikk må nemlig tåle klesvask, store temperaturvariasjoner og røff bruk. Enkelte av sensorene må også kunne festes til huden. Å imøtekomme slike krav er ikke gjort i en håndvending.

I tillegg må forskerne å finne løsninger som kan forsyne elektronikken med nok strøm, slik at den kan fungere trådløst over tid.

– Blåtannteknologien fungerer godt, men de som har prøvd å overføre for eksempel bilder fra mobilen med blåtann, har helt sikkert opplevd at mobilen tappes raskere for strøm. Derfor jobber vi med å utvikle elektronikkløsninger som er mer energigjerrige enn dagens systemer, forklarer Seeberg.

Strekkbar elektronikk

Elektronikk som skal integreres i tekstiler, må også være tøybare – på samme måte som stoffet. Da nytter det ikke å bruke tradisjonelle strømførende kabler. Forsker Arne Røyset og kollegene hans arbeider med å gjøre områder på tekstilene strømførende ved hjelp av polymerer, altså plast. De fleste polymermaterialer er dårlige strømledere, men de er fleksible og mer behagelige å ha tett mot kroppen enn metaller.

I tillegg jobber forskerne med å koble to ulike polymermaterialer, slik at de sammen blir en temperatursensor. Det gjøres gjennom å utnytte materialenes termoelektriske egenskaper: En temperaturforskjell mellom to steder kan nemlig generere en ørliten spenning – og denne spenningen kan måles.

– Utfordringen er å komme frem til materialkombinasjoner som har høy termoelektrisk effekt, god ledningsevne og er stabile og robuste, forklarer Arne Røyset.

Transport på mikroskala

Dessuten arbeider teamet til Røyset med å undersøke stoffenes evne til å transportere fuktighet og varme. Dette er arbeid på mikroskala. For det er i denne målestokken materialenes egenskaper sitter, forklarer Røyset og trekker fram ullfibrenes unike evner som et eksempel på naturens egen høyteknologi: Materialet er både en utmerket varmeisolator og transportør av fukt bort fra kroppen. Dette er egenskaper som sitter i nanostrukturene.

DETTE ER COLD WEAR

Tverrfaglig prosjekt som satser på bekledning for ekstreme forhold. Varighet 2008-2012.

Finansiert av Norges forskningsråd med 13 mill og, 4, 5 mill kroner fra industrien.

Til sammen arbeider 8-10 forskere i prosjektet, og oljeselskapene Statoil og Total samt produsentene Swix, Janus og Venås deltar.

Målet er at ti masterstudenter skal ta oppgaven sin her.

– Noen materialer endrer egenskaper når temperatur eller fuktighet endrer seg. Detgir mulighet for å tenke seg et plagg som isolerer godt når det er kaldt, og er en dårlig isolator når det er varmt, sier Røyset og presiserer: Ved krevende arbeid i kulde, hvor arbeidsintensiteten og omgivelsestemperaturen varierer, vil et slikt materiale bidra til å øke arbeidsevnen, sikkerheten og samtidig gi større komfort.

Syretest

Tilbake i lab’en er Sandbakk er i ferd med å ta den aller siste innspurten. Melkesyrenivået er høyt. Kreftene i ferd med å ta slutt. Han får sine siste oppmuntrende rop fra assistenten, før tallene på dataskjermen taler sitt klare språk. Øystein Wiggen avbryter forsøket klokka tre minutter på ti. Han har fått det han trenger.

I forskningens tegn er vår kjære forsøksperson totalt utmattet – men fornøyd. 13 biokompatible sensorer skal fjernes fra kroppen, før en rask dusj venter. For Øystein Wiggen og hans kolleger er det enda lenge til arbeidsdagen er over. Forskerne kan nå plotte resultatene inn i sin database, og er et steg nærmere svaret på hva vi kan prestere i kulde. Det er kalde fakta.

 

Christina B. Winge