Vakuum

Das Wort Vakuum (von lat. vacuus (leer, frei)) wird in verschiedenen Bedeutungen gebraucht:

Umgangssprachlich: Vakuum ist ein materiefreier Raum.
Technik und Klassische Physik: Vakuum bezeichnet den Zustand eines Fluids in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen.
Quantenphysik: In der Quantenfeldtheorie wird der Zustand niedrigster Energie mit Vakuumzustand bezeichnet.

Auf der Erde kann man ein Vakuum herstellen, indem man einen abgeschlossenen Hohlraum, den Rezipienten, vom darin enthaltenem Gas mittels geeigneter Vakuumpumpen befreit. Das einfachste Gerät ist die Wasserstrahlpumpe; sie erzeugt ein Grobvakuum, das dem Wasserdampfdruck bei der jeweils herrschenden Wassertemperatur entspricht (z. B. 23 hPa bzw. mbar bei 20 °C). Messgeräte zur Bestimmung des Gasdrucks in einem Vakuum nennt man Vakuummeter.

Technische Vakua finden Anwendung in der Forschung, in der Elektronenmikroskopie, bei der Erschmelzung von metallischen Werkstoffen und in der Fertigung von Mikroelektronik. Auch im Innenraum von Bildröhren von Fernsehern oder Monitoren herrscht Hochvakuum vor, um die Streuung der Elektronenstrahlen gering zu halten.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln unter Vakuum. Diese werden dann von gasdichten Kunststoffhüllen umschlossen und sind durch die Abwesenheit des Alterungs- und Verwesungsprozesse unterstützenden Luftsauerstoffs länger haltbar. Neben Erdnüssen werden auch Fleisch und Kaffee sowie Käse 'vakuumiert'.

Während ein vollständig materiefreier Raum nicht herstellbar ist, können technische Vakua in verschiedenen Qualitäten hergestellt werden. Man unterscheidet in der Technik unterschiedliche Qualitäten der erzielten Vakua nach der Menge der verbleibenden Materie (gemessen durch den Druck in Pa = Pascal oder mbar = Millibar):

Druckbereich	Druck in hPa (mbar)	Moleküle pro cm³	mittlere freie Weglänge
Umgebungsdruck	1013,25	2,7·10¹⁹	68 nm
Grobvakuum	300...1	10¹⁹...10¹⁶	0,1...100 μm
Feinvakuum	1...10^-3	10¹⁶...10¹³	0,1...100 mm
Hochvakuum (HV)	10^-3...10^-7	10¹³...10⁹	10 cm...1 km
Ultrahochvakuum (UHV)	10^-7...10^-12	10⁹...10⁴	1 km...10⁵ km
extrem hohes Vakuum (XHV)	<10^-12	<10⁴	>10⁵ km

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte des Vakuums
- 1.1 Das Vakuum in der modernen Physik
2 Eigenschaften und Anwendungen des Vakuums
3 Vakuum im Weltraum
4 Erzeugung eines Ultrahochvakuums
5 Literatur
6 Quellen
7 Siehe auch
8 Weblinks

Geschichte des Vakuums

Die Idee des Vakuums stammt wahrscheinlich von Leukipp oder seinem Schüler Demokrit und war eine tragende Säule des Weltbildes der epikureischen Philosophie. Diese nahmen an, dass die Materie aus unteilbaren kleinsten Teilchen (Plural: atomoi) aufgebaut ist, die sich im leeren Raum, also im Vakuum, bewegen und nur infolge der Leere des Raumes die Möglichkeit zur Bewegung und Interaktion haben. Diese Annahme wurde aber vor allem von Aristoteles und seiner Akademie abgelehnt, da sich Aristoteles eine Bewegung ohne treibendes Medium nicht denken konnte; man dachte sich den Raum zwischen den Gestirnen daher von einem Äther erfüllt und postulierte den sogenannten horror vacui (eine Abneigung der Natur gegen das Leere). Auch die Platonische Schule lehnte es ab, an das Nicht-Seiende zu glauben. Im Mittelalter galt Aristoteles als Autorität. Obwohl wieder von Giordano Bruno aufgegriffen und verteidigt, konnte sich die Idee vom Vakuum erst mit den ersten Demonstrationen durchsetzen.

Das erste irdische (beziehungsweise menschliche) Vakuum wurde von Evangelista Torricelli mit der Hilfe einer Quecksilbersäule in einem gebogenen Glasrohr hergestellt. Blaise Pascal konnte kurz darauf mit seinem berühmten Versuch vide dans le vide im November 1647 erstmals beweisen, dass ein Vakuum tatsächlich existieren kann. Populär wurde das Vakuum durch Otto von Guericke, den Erfinder der Luftpumpe. Er spannte im Jahre 1657 Pferde an zwei Metallhalbkugeln (siehe Magdeburger Halbkugeln), aus denen er vorher die Luft herausgesaugt hatte. Der beobachtete Effekt ist allerdings keine Eigenschaft des Vakuums, sondern vielmehr durch den Druck der umgebenden Luft bedingt.

Robert Williams Wood beobachtete erstmals 1897 den Tunneleffekt im Vakuum bei der Feldemission von Elektronen, konnte diesen Effekt allerdings noch nicht richtig deuten.

Im ausgehenden 16. Jahrhundert wurde noch angenommen, dass sich Licht nicht im Vakuum, sondern nur in einem Medium, dem sogenannten Äther ausbreiten könne. Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley versuchten mit einem Interferometer vergeblich, die Existenz eines solchen Äthers nachzuweisen. Durch die allgemeinen Akzeptanz der Speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins von 1905 gilt das Äther-Konzept als überholt und die Ausbreitung von Licht im Vakuum als erwiesen.

Die Streuversuche von Ernest Rutherford zeigten 1911, dass Alpha-Teilchen eine Goldfolie ohne Widerstand durchqueren können. Dies zeigte, dass die Masse von Atomen in einem - verglichen mit ihrer gesamten Ausdehnung - winzigen Kern zentriert ist. Darauf aufbauend entwarf Niels Bohr ein Modell, nach dem die Elektronen den Atomkern umkreisen, wie die Planeten die Sonne. Im Inneren der Atome und zwischen ihnen schien also ein Vakuum zu herrschen. Obwohl man diese Sichtweise noch gelegentlich in der Literatur antrifft, gilt das Innere der Atome heute als von den Aufenthaltsbereichen der Elektronen (Orbitale) ausgefüllt.

Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelten das Rastertunnelmikroskop, bei dem das kontrollierte Zwei-Elektroden-Tunneln im Vakuum ausgenutzt wird. Das Verfahren wurde 1979 zum Patent angemeldet.

Das Vakuum in der modernen Physik

In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum als ein dynamisches Medium mit vielfältigen Eigenschaften (siehe Vakuumfluktuationen). Auch die in der heutigen Kosmologie wieder notwendige kosmologische Konstante soll ihren Ursprung in den Vakuumfluktuationen haben.

Eigenschaften und Anwendungen des Vakuums

Licht, Teilchen, Festkörper, elektrische, magnetische und Gravitationsfelder breiten sich im Vakuum aus; dagegen benötigen Schallwellen ein materielles Medium und können sich daher im Vakuum nicht ausbreiten. Wärmestrahlung kann sich als elektromagnetische Welle auch im Vakuum fortpflanzen. Dagegen führt die Absenkung des Drucks zur Verminderung der materiegebundenen Wärmeübertragungsprozesse. Die Verringerung von Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmeleitung (Konduktion) (siehe Gitterschwingungen; Phononen) findet Anwendung in der Thermoskanne (Dewar-Gefäß).

Die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit im Hochvakuum wird in Vakuumkondensatoren der Hochleistungselektronik und dem Hochspannungsteil von evakuierten Röntgenröhren genutzt. Allerdings sinkt zunächst bei Absenkung des Drucks ausgehend vom Normalluftdruck die Durchschlagsfestigkeit. Das Minimum der Durchschlagsfestigkeit in Luft wird bei einem Druck von 1 mbar erreicht, wo sie nur noch ca. 0,3 kV/cm beträgt (bei 1 bar: 20-40 kV/cm ). Wird der Druck weiter in Richtung Hochvakuum abgesenkt, vergrößert sich die Durchschlagsfestigkeit wieder exponentiell.

Das Vakuum ist kein Lebensraum, da Lebewesen auf Materie zu ihrem Stoffwechsel angewiesen sind. Allerdings können viele Lebewesen (Bakterien, Pflanzen) einen gewissen Zeitraum im Vakuum überleben.

Höhere Lebewesen können im Vakuum nicht überleben, selbst wenn sie nicht zerplatzen, da die Flüssigkeit in den Körperzellen (auch das Blut) aufgrund der Absenkung des Siedepunktes zu kochen beginnt.

Diese Eigenschaften machen das Vakuum zu einer beliebten Konservierungsmethode. Mittlerweile sind Vakuumiergeräte auch für Haushalte erschwinglich und erfreuen sich großer Beliebtheit bei fleischverarbeitenden Privatpersonen (Kleinviehhalter, Jäger).

Beim Gefriertrocknen etwa von Kaffee, Tee, Gemüse oder Blut handelt es sich jedoch um Sublimation, bei der das Eis direkt in die Gasphase übergeht; es gibt hierbei keine flüssige Phase, die sieden könnte, so dass eine Siedepunktserniedrigung durch das Vakuum hier irrelevant ist.

Der Kristallisationsprozess in der Zuckerfabrikation findet unter Vakuum statt, um durch den niedrigeren Siedepunkt der Zuckerlösung Energie einzusparen.

Beim Vakuumfrittieren z. B. von Kartoffelchips geht es vor Allem darum, durch die niedrigeren Temperaturen beim Frittieren die Entstehung schädlicher Nebenprodukte der sog. Maillard-Reaktion wie z. B. Acrylamid zu verhindern bzw. zu reduzieren.

Viele Stofftrennverfahren in der Chemie basieren ebenfalls auf der Vakuumtechnik.

Vakuum im Weltraum

Das im Weltraum im interstellaren Raum oder im intergalaktischen Raum auftretende Vakuum ist im Allgemeinen dünner als jedes auf der Erde herstellbare Vakuum. Allerdings ist auch der Weltraum nicht völlig leer, sondern enthält durchschnittlich ein Teilchen pro cm³ und ist „Träger“ von statischen elektromagnetischen und gravitativen Feldern sowie von Photonen (siehe auch Plenismus).

Erzeugung eines Ultrahochvakuums

In der angewandten Physik bedient man sich mehrerer Pumpentypen um ein Ultrahochvakuum zu erzeugen. Zunächst wird mit mechanisch wirkenden Pumpen (Drehschieberpumpe, Membranpumpe, Diffusionspumpe) ein Vordruck im Rezipienten im Bereich von 10^-2 bis 10^-3 Millibar erzeugt. Abhängig von der Größe des Rezipienten und der Pumpleistung der Pumpen dauert dies im Normalfall einige Minuten. Als nächstes erzeugen Turbomolekularpumpen in einem mindestens mehrere Stunden dauernden Prozess ein Hochvakuum im Druckbereich von ungefähr 10^-7 mbar. Dieser Druck lässt sich nicht mehr ohne weitere Hilfsmittel verringern, da die ständige Desorption von adsorbiertem Wasser und anderen Verbindungen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen, mit niedrigem Dampfdruck, auch bei unendlicher lang andauernder Pumpleistung dies verhindet.

Die Desorptionsprozesse werden beschleunigt, wenn die Kammer durch direkte Heizung der Kammerwände und indirekte thermische Erwärmung der inneren Oberflächen auf eine Temperatur gebracht wird, die mindestens über dem Siedepunkt von Wasser, möglichst aber deutlich höher liegt. Wichtigstes Kriterium der Temperaturhöhe ist die Temperaturbeständigkeit der eingebauten Komponenten, wie zum Beispiel Durchführungen für elektrische Verbindungen sowie für Sichtfenster. Übliche Ausheiztemperaturen liegen zwischen 130 °C und über 200 °C.

Das in hohem Maße desorbierende Wasser wird während des Ausheizens mittels der Turbomolekularpumpen größtenteils abgepumpt, ebenso wie eventuelle Kohlenstoff-Kontaminationen. Dieser Prozess dauert minimal 24 Stunden, bei Kammern mit vergleichsweise komplex angeordneten inneren Oberflächen durch angebaute Apparaturen wird üblicherweise nach zwei bis drei Tagen die Heizung abgeschaltet.

Zum Erreichen des Ultrahochvakuums werden nicht-mechanische Pumpen zum Einsatz gebracht. Eine Ionengetterpumpe pumpt durch Ionisation und Einfangen der Restgasmoleküle in Titanröhrchen in einem Druckbereich von 1x10^-7 Millibar bis 10^-10 Millibar. Hier zeigt sich, dass die Pumpleistung nur dann ausreichend ist, wenn das Ausheizen vorher den Restgasdruck ausreichend vermindert hat. Eine Titansublimationspumpe arbeit über thermisch in die Kammer verteiltem Titandampf, der sich durch eine hohe chemische Reaktivität auszeichnet und Restgasatome an sich und der (kalten) Kammerwand bindet, so dass sich folglich der Restgasdruck weiter vermindert. Der mit diesem oben beschriebenen Verfahren minimal erreichbare Restgasdruck liegt im Bereich von 10^-11 Millibar.

Durch Kältefallen am unterem Teil der Kammer kann nun ebenfalls ein statistisch signifikanter Teil des Restgases temporär gebunden werden und der Kammerdruck auf ungefähr 10^-12 Millibar kurzfristig bei optimaler Funktion aller beteiligten Komponenten gesenkt werden.

Literatur

Max Wutz, Hermann Adam, Wilhelm Walcher, Karl Jousten: Handbuch Vakuumtechnik. Theorie und Praxis. Vieweg, ISBN 3-528-54884-3
Wolfgang Pupp, Heinz K. Hartmann: Vakuumtechnik. Fachbuchverlag Leipzig, ISBN 3-446-15859-6
Karin Wey, Ralph Jürgen Peters: Geschichte der Vakuumtechnik. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 14(3), S. 180 - 183 (2002), ISSN 0947-076X
Heinz-Dieter Bürger: Die Geschichte der Vakuumkühlung. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 16(2), S. 67 - 70 (2004), ISSN 0947-076X
Henning Genz: Nichts als das Nichts. Die Physik des Vakuums. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2004, ISBN 3-527-40319-1

Quellen

C. GRANDA, R.G. MOREIRA, S.E. TICHY (2004) Reduction of Acrylamide Formation in Potato Chips by Low-temperature Vacuum Frying, Journal of Food Science 69 (8), 405–411.