„Schockierende“ Ergebnisse beim Vergleich von Helmen aus dem Ersten Weltkrieg mit modernen Militärdesigns

May 10, 2023

Von Duke University, 15. Februar 2020

(Klicken Sie auf das Bild, um es vollständig anzuzeigen.) Ein französischer Helm aus dem Ersten Weltkrieg sitzt unter einem Schockrohr, um zu testen, wie gut er die darunter liegende Puppe vor einer Stoßwelle schützt. Der Grat in der Mitte des Helms war für die Abwehr von Granatsplittern konzipiert, hat aber möglicherweise auch dazu beigetragen, die Stoßwelle abzulenken, sodass der Helm sogar moderne Kampfhelme übertrifft. Bildnachweis: Joost Op 't Eynde, Duke University

Helme aus dem Ersten Weltkrieg schützen ebenso gut vor Stoßwellen wie modernes Design. Der französische Adrian-Helm legt nahe, dass eine einfache Geometrie das Gehirn vor Explosionen über dem Kopf schützen kann.

Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben gezeigt, dass moderne Militärhelme das Gehirn trotz erheblicher Fortschritte beim Schutz vor ballistischen und stumpfen Einschlägen nicht besser vor Stoßwellen schützen, die durch nahegelegene Explosionen erzeugt werden, als ihre Gegenstücke aus dem Ersten Weltkrieg. Und insbesondere ein Modell, der französische Adrian-Helm, schnitt beim Schutz vor Überkopfexplosionen tatsächlich besser ab als moderne Designs.

Die Forschung könnte dazu beitragen, den Explosionsschutz zukünftiger Helme zu verbessern, indem unterschiedliche Materialien ausgewählt, mehrere Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz geschichtet oder ihre Geometrie geändert werden.

Ein Hochgeschwindigkeitsvideo eines französischen Helms aus dem Ersten Weltkrieg, der von einer Druckwelle bombardiert wird, die die Explosion deutscher Artilleriegeschosse in wenigen Metern Entfernung imitieren soll. Bildnachweis: Joost Op 't Eynde, Duke University

Die Ergebnisse wurden am 13. Februar 2020 online in der Zeitschrift PLOS ONE veröffentlicht.

„Obwohl wir herausfanden, dass alle Helme einen erheblichen Schutz gegen Explosionen boten, waren wir überrascht, dass die 100 Jahre alten Helme genauso gut funktionierten wie die modernen“, sagte Joost Op 't Eynde, ein Doktor der Biomedizintechnik. D. Student bei Duke und Erstautor der Studie. „Tatsächlich schnitten einige historische Helme in mancher Hinsicht besser ab.“

Forscher haben erst vor kurzem damit begonnen, die Hirnschäden zu untersuchen, die eine Stoßwelle allein verursachen kann – und das aus gutem Grund. Helme wurden ursprünglich zum Schutz vor eindringenden Objekten wie Kugeln und Granatsplittern entwickelt, und Druckwellen töten durch Lungentraumata, lange bevor sie auch nur geringfügige Hirnschäden verursachen.

Mit dem Aufkommen von Körperpanzern sind die Lungen von Soldaten jedoch viel besser vor solchen Explosionen geschützt als früher. Dies hat dazu geführt, dass die Häufigkeit von Lungentraumata nach einer Explosion trotz der unterschiedlichen Explosionstoleranz weit unter die Häufigkeit von Hirn- oder Wirbelsäulenverletzungen in modernen militärischen Konflikten gesunken ist.

Obwohl es Studien gibt, die darauf hinweisen, dass moderne Helme einen gewissen Schutz vor Stoßwellen bieten, wurde derzeit kein Helm speziell für den Explosionsschutz entwickelt. Und da sich die heutigen Soldaten, die beim Tragen von Körperpanzerung Stoßwellen ausgesetzt sind, nicht allzu sehr von den Soldaten vor 100 Jahren unterscheiden, die in den Schützengräben Stoßwellen erlebten, beschloss Op 't Eynde herauszufinden, ob aus diesen alten Konstruktionen Lehren gezogen werden konnten.

„Während wir herausfanden, dass alle Helme einen erheblichen Schutz gegen Explosionen boten, waren wir überrascht, dass die 100 Jahre alten Helme genauso gut funktionierten wie die modernen.“ — Joost Op 't Eynde

„Diese Studie ist nach unserem besten Wissen die erste, die die Schutzfähigkeiten dieser historischen Kampfhelme gegen Explosionen bewertet“, sagte Op 't Eynde.

In Zusammenarbeit mit Cameron „Dale“ Bass, außerordentlicher Forschungsprofessor für Biomedizintechnik an der Duke University, entwickelte Op 't Eynde ein System zum Testen der Leistung von Helmen aus dem Ersten Weltkrieg aus dem Vereinigten Königreich/USA (Brodie), Frankreich (Adrian) und Deutschland (Stahlhelm) und eine aktuelle US-Kampfvariante (Advanced Combat Helmet).

Die Forscher setzten abwechselnd an verschiedenen Stellen unterschiedliche Helme auf den Kopf eines mit Drucksensoren ausgestatteten Dummys. Anschließend platzierten sie den Kopf direkt unter einem Stoßrohr, das mit Helium unter Druck gesetzt wurde, bis eine Membranwand platzte und das Gas in einer Stoßwelle freigesetzt wurde. Die Helme wurden mit Stoßwellen unterschiedlicher Stärke getestet, die jeweils einem anderen Typ einer deutschen Artilleriegranate entsprachen, die aus einer Entfernung von einem bis fünf Metern explodierte.

Der am Scheitel des Kopfes ausgeübte Druck wurde dann mit Diagrammen zum Risiko von Hirnverletzungen verglichen, die in früheren Studien erstellt wurden. Während alle Helme das Risiko mittelschwerer Hirnblutungen um das Fünf- bis Zehnfache reduzierten, war das Risiko für jemanden, der einen französischen „Adrian“-Helm aus dem Jahr 1915 trug, geringer als für alle anderen getesteten Helme, einschließlich des modernen, fortschrittlichen Kampfhelms.

Ein Brodie-Helm, der im Ersten Weltkrieg von amerikanischen und britischen Streitkräften verwendet wurde, wird mit einer Stoßwelle getroffen, um zu testen, wie gut er die darunter liegende Puppe vor primären Explosionen schützt. Bildnachweis: Joost Op 't Eynde, Duke University

„Das Ergebnis ist faszinierend, weil der französische Helm aus ähnlichen Materialien wie seine deutschen und britischen Gegenstücke hergestellt wurde und sogar eine dünnere Wand aufwies“, sagte Op 't Eynde. „Der Hauptunterschied besteht darin, dass der französische Helm oben auf der Krone ein Wappen hatte. Obwohl er dazu gedacht war, Granatsplitter abzuwehren, könnte dieses Merkmal auch dazu dienen, Stoßwellen abzuwehren.“

Es könnte auch sein, dass der Drucksensor direkt unter dem Kamm angebracht war und der Kamm eine zusätzliche erste Schicht zur Reflexion der Stoßwelle darstellte. Und der französische Helm zeigte an keinem anderen Ort den gleichen Vorteil bei Drucksensoren. Bei Stellen wie den Ohren schien die Leistung von der Breite der Helmkrempe und davon, wie viel vom Kopf sie tatsächlich bedeckte, abzuhängen.

Was den modernen Helm angeht, vermutet Op 't Eynde, dass seine Schichtstruktur für seine Leistung wichtig sein könnte. Da eine Stoßwelle jedes Mal reflektiert wird, wenn sie auf ein neues Material mit einer anderen akustischen Impedanz trifft, könnte die Schichtstruktur des modernen Helms zu seinem Explosionsschutz beitragen.

Unabhängig davon, welcher Helm getestet wurde, zeigten die Ergebnisse eindeutig, dass Helme eine besonders wichtige Rolle beim Schutz vor leichten, durch Explosionen verursachten Hirntraumata spielen könnten. Nach Ansicht der Forscher zeigt allein dieses Ergebnis, wie wichtig es ist, diese Art von Forschung fortzusetzen, um Helme zu entwickeln, die Stoßwellen von Explosionen in der Nähe über dem Kopf besser absorbieren können.

„Der Unterschied, den ein einfacher Kamm oder eine breitere Krempe beim Explosionsschutz machen kann, zeigt, wie wichtig dieser Forschungszweig sein könnte“, sagte Op 't Eynde, der ursprünglich mit einem Stipendium der Belgian American Educational Foundation zu Duke kam wurde mit Mitteln amerikanischer Hilfsaktionen in Belgien während des Ersten Weltkriegs gegründet. „Mit all den modernen Materialien und Fertigungskapazitäten, die wir heute besitzen, sollten wir in der Lage sein, das Helmdesign zu verbessern, das besser vor Druckwellen schützt als Helme von heute oder 100.“ Jahre zuvor."

Referenz: „Primary Blast Wave Protection in Combat Helmet Design: a Historical Compare between Present Day and World War I“ von Joost Op 't Eynde, Allen W. Yu, Christopher P. Eckersley und Cameron R. Bass, 13. Februar 2020, PLOS ONE.DOI: 10.1371/journal.pone.0228802