Zespół pracujący nad projektem: od lewej dr Mateusz Skwarski, dr Joanna Ludwiczak, dr Anna Dmitruk, dr Paweł Kaczyński i doktorant Piotr Makuła (fot. PWr)

Dostępne na rynku kaski chroniące głowy rowerzystów, narciarzy czy snowboardzistów mają poważną wadę. Wystarczy jedno zderzenie, a kask powinien trafić do kosza. Nie daje już bowiem gwarancji bezpieczeństwa. Naukowcy z PWr pracują właśnie nad rozwiązaniem, które będzie zdecydowanie bardziej ekologiczne. A to nie koniec jego zalet.

W chwili gdy rowerzysta zalicza upadek, jego głowę przed urazami chroni kask pochłaniający energię zderzenia z chodnikiem. Mechanizm jest prosty – specjalna pianka znajdująca się we wnętrzu kasku absorbuje ją i oddaje z mniejszą wartością.

Wady? Energia tego zderzenia nie jest rozpraszana, a magazynowana w piance. Ostatecznie trafia z powrotem na głowę użytkownika w drugiej fazie uderzenia. Ryzyko obrażeń – choć zminimalizowane – nie jest więc zerowe i przy poważniejszym wypadku głowa rowerzysty ucierpi mimo ochrony.

Do tego taki kask powinno się wymienić na nowy nawet przy nieznacznym zderzeniu – bo nie mamy pewności czy nadal zapewnia nam bezpieczeństwo.

Wynika to z jego budowy. Sportowe kaski najczęściej składają się z zewnętrznej sztywnej skorupy, umieszczonej pod nią wykładziny energochłonnej, wyściółki – czyli tzw. wykładziny komfortowej i pasków mocujących z zapięciem.

Kask jak… sprężyna

Ta specjalna pianka, która odpowiada za przyjmowanie energii upadku czy zderzenia, to właśnie wykładzina energochłonna. Jest przymocowana na stałe do zewnętrznej skorupy. Powstaje z tworzyw sztucznych, takich jak polistyren, polipropylen czy poliuretan. Ma strukturę jednorodnej piany o ściśle przylegających do siebie komórkach w formie wielościanów o nieregularnych kształtach i rozmiarach.

Gdy dochodzi do zderzenia, ten materiał ugina się i wraca do niemal pierwotnego kształtu. Przypomina to ruch sprężyny, która po naciśnięciu powraca do swojej formy.

Tyle, że pianka w kasku, w przeciwieństwie do nienaruszonej sprężyny, z każdym kolejnym zderzeniem traci swoją objętość – czyli „ugniata się” – a to zmniejsza odległość między głową rowerzysty a sztywną powierzchnią zewnętrzną kasku.

Nie wiemy też, jakie zderzenie spowoduje, że kask przestanie gwarantować ochronę – czy wystarczy lekkie otarcie? A może kontakt z chodnikiem wcale nie uszkodzi kasku? Jako użytkownicy nie jesteśmy w stanie tego sprawdzić. Dlatego producenci zalecają, by po każdym takim zdarzeniu kupić nowy kask i nie ryzykować swoim zdrowiem czy nawet życiem.

W praktyce jednak mało kto wymienia kask po drobnym upadku – choćby ze względu na koszt zakupu nowego sprzętu. Korzystamy więc z ochrony głowy, nie mając pewności czy nie jest iluzoryczna.

Wymień sobie sam

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej postanowili stworzyć kaski, które wyeliminują te problemy. Badania prowadzi zespół kierowany przez dr. inż. Pawła Kaczyńskiego z Katedry Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii na Wydziale Mechanicznym. Prace są możliwe dzięki grantowi z programu „Lider” Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Jak tłumaczy dr Kaczyński, w ciągu 45 lat od opracowania pierwszego sportowego kasku technologia jego konstrukcji w zasadzie się nie zmieniła.

– Mimo że z biegiem lat opracowano setki nowych modeli tych zabezpieczeń – opowiada naukowiec. – Wszystkie mają przymocowaną na stałe warstwę energochłonną. Dlatego nasze rozwiązanie będzie czymś zupełnie nowym. Pracujemy nad warstwą, która będzie wymienną wkładką. Każdy rowerzysta czy sportowiec po upadku albo zderzeniu będzie mógł łatwo włożyć nową wkładkę do swojego kasku, bez użycia siły czy specjalistycznego oprzyrządowania. Jednocześnie będzie miał pewność, że taka zmiana w żaden sposób nie obniży gwarancji jego bezpieczeństwa. Kask nadal będzie spełniał wymagane prawem normy.

Zespół pracujący nad tym rozwiązaniem dąży do tego, żeby wkładka powstała z materiałów biodegradowalnych – tak, by każda jej wymiana w kasku nie wiązała się z produkcją odpadów. Obecnie naukowcy testują wykorzystanie do tego celu kilku gatunków tworzyw biodegradowalnych m.in. biopolimery ze źródeł odnawialnych ulegające biodegradacji – jak PLA, PHB, PHA, pochodne skrobi, pochodne celulozy oraz na bazie ligniny, chityny i chitozanu – które mieszają ze sobą w różnych proporcjach.

– Biodegradowalność jest dla nas największym wyzwaniem – opowiada dr Kaczyński. – Musimy stworzyć wkładkę, która z jednej strony rozłoży się pod wpływem działania wody, ale z drugiej będzie ochraniała stale pocącego się kolarza czy narciarza. Staramy się więc opracować takie tworzywo, które – mówiąc wprost – nie rozłoży się nam na głowach. A do tego ważne jest też, by ten materiał pokazywał w jakiś wizualny sposób utratę swoich własności – np. odbarwiał się, marszczył itp. po tym, jak – dajmy na to – kask przez kilka tygodni będzie leżał na stole w słonecznym ogrodzie albo spędzi kilka miesięcy w wilgotnej piwnicy. Tak, żeby użytkownik wiedział: coś tu się zadziało, lepiej wymienić wkładkę na nową.

Jak podkreślają naukowcy, wykładziny ochronne kasków powstają z nieekologicznych, ropopochodnych produktów, które w przyrodzie rozkładają się od 100 lat wzwyż. W samej Polsce szacuje się, że każdego roku utylizuje się około miliona takich sprzętów, co oznacza około 500 tys. kg odpadów. Dlatego tak istotne jest wprowadzanie „zielonych” rozwiązań.

Plastry miodu w kasku

Dr Kaczyński przekonuje, że opracowywane przez naukowców rozwiązanie będzie miało także wiele innych przewag nad oferowanymi obecnie kaskami. Przede wszystkim będzie pochłaniać energię za pomocą innego mechanizmu – a to sprowadza się do większego bezpieczeństwa dla użytkownika.

– Nasza wkładka nie będzie się zachowywała jak sprężyna – tłumaczy kierownik projektu. – Będzie wykonana w formie otwartych, przestrzennych struktur przypominających plastry miodu i pochłonie energię poprzez plastyczne, wielomiejscowe fałdowanie. Żeby to zrozumieć, wystarczy wyobrazić sobie zgniatanie np. metalu. Energia jest pochłaniana przez odkształcanie tego materiału i sprężynowanie powrotne jest niewielkie. Nie ma więc ryzyka drugiej fazy uderzenia, a do tego bezpowrotne zgniecenie materiału wkładki jest od razu wyraźnym sygnałem dla użytkownika, że trzeba ją wymienić na nową. Tu nie będzie więc pola do zastanawiania się: uszkodzona czy jeszcze da radę? Od razu będzie wiadomo, że już nie spełnia dobrze swojej ochronnej roli.

Według szacunków badaczy opracowywana przez nich wkładka będzie pochłaniała nawet 84 proc. energii. Jej ażurowa forma będzie też zapewniała większą przewiewność kasku. Dzięki temu użytkownicy nie będą mieli uczucia dyskomfortu spoconej głowy i zapomną o tzw. „helmet hair”, czyli chaosie na włosach po zdjęciu kasku – nie do ogarnięcia bez grzebienia, a często i wody.

Współpraca z firmą produkującą kaski?

Nad projektem pracują – obok dr. Kaczyńskiego – dr inż. Mateusz Skwarski, doktorant Piotr Makuła i dr inż. Anna Dmitruk z Wydziału Mechanicznego oraz dr inż. Joanna Ludwiczak z Wydziału Inżynierii Środowiska.

Naukowcy prowadzą już szereg badań – m.in. nadeszczania materiałów na wkładkę i oddziaływania na nią promieniami UV. Badają także projektowane przez siebie kaski poprzez setki symulacji numerycznych. Wszystko po to, by stworzyć jak najlepsze rozwiązanie, które bez problemu przejdzie wszystkie testy bezpieczeństwa związane z uzyskaniem norm – takich jak EN 1077 i EN 1078 (kaski spełniające te standardy są sprawdzane w crash testach z wykorzystaniem modelu głowy zbliżonej do ludzkiej, którą zrzuca się z odpowiedniej wysokości; są też m.in. zanurzane w wodzie i naświetlane promieniami UV).

Dotychczasowe wyniki wszystkich prac są bardzo obiecujące. – Jesteśmy pewni skuteczności i innowacyjności rozwiązań, które zaproponujemy – podkreśla dr Kaczyński.

Na stworzenie kasku zespół ma dwa lata. W tym czasie powstaną prototypy kasków w czterech rozmiarach – dla rowerzystów i snowboardzistów. Badacze chcą opatentować swoje rozwiązanie i zainteresować nim polskie firmy produkujące taką ochronę na głowę. Zaproponują dobranie i wdrożenie biodegradowalnych wkładek energochłonnych do wybranego istniejącego już modelu kasku sportowego z możliwością rozszerzenia na wszystkie modele danego producenta.

Lucyna Róg