Vakuum


Vakuum

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Schulhistorisches Gerät zur Demonstration von Vakuum

Das Wort Vakuum (von lateinisch vacuus‚ leer) bedeutet (weitgehend) leerer Raum. Ist in einem evakuierten Gefäß nur ein deutlich geringerer als der atmosphärische Druck vorhanden, spricht man korrekterweise statt von einem Vakuum von „vermindertem“ oder „reduziertem Druck“.

Begriffsklärung

In der Umgangssprache spricht man von Vakuum bei einem weitgehend luftleeren Raum (z. B. Vakuumverpackung). Auch die Technik und klassische Physik verwenden den Ausdruck in diesem Sinne: Vakuum bezeichnet den Zustand eines Gases in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen. Bei extrem niedrigem Absolutdruck spricht man von Hochvakuum.

„Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck“

– DIN 28400 Teil 1 (Mai 1990): Vakuumtechnik; Benennungen und Definitionen; Allgemeine Benennungen.

In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum als ein dynamisches Medium mit chaotischen Vakuumfluktuationen und vielfältigen anderen Eigenschaften (Quantenvakuum).

Anders als die Naturwissenschaften sieht die Philosophie Vakuum als grundsätzlich vollkommen leeren Raum.

Geschichte der Erforschung

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. Nach heutigem Verständnis ist aber wie bereits oben beschrieben auch das Vakuum nicht leer, da selbst der quantenmechanische Grundzustand eine endliche Energiedichte hat, die sich zum Beispiel beim Casimir-Effekt oder spontaner Emission bemerkbar macht.

Das erste irdische (beziehungsweise von Menschen geschaffene) 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, dem 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 19. 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 allgemeine 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 konzentriert 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.

Eigenschaften

Charakterisierung der Druckbereiche

Während ein vollständig materiefreier Raum nicht herstellbar ist, können technische Vakua in verschiedenen Qualitäten hergestellt werden. Man unterscheidet in der Technik unterschiedliche Qualitäten des erzielten Vakuums nach der Menge der verbleibenden Materie. Standardmäßig wird der Druck in Pascal (Pa) oder Millibar (mbar) angegeben.

Einordnung anhand der Druckbereiche
Druckbereich Druck in hPa (mbar) Moleküle pro cm3 mittlere freie Weglänge
Normaldruck 1013,25 2,7 × 1019 68 nm
Grobvakuum 300…1 1019…1016 0,01…100 μm
Feinvakuum 1…10−3 1016…1013 0,1…100 mm
Hochvakuum (HV) 10−3…10−7 1013…109 100 mm…1 km
Ultrahochvakuum (UHV) 10−7…10−12 109…104 1…105 km
extrem hohes Vakuum (XHV) <10−12 <104 >105 km
Ideales Vakuum (IV) 0 0

Beim Auspumpen eines Gefäßes baut sich bis zum Grobvakuum die mechanische Belastung durch den äußeren Luftdruck auf. Die Grenze zum Feinvakuum lässt sich mit mechanischen Pumpen noch einfach erreichen. Im Bereich des Feinvakuums erreicht die freie Weglänge die typischen Ausmaße von Vakuumgefäßen, sodass die viskose Strömung über die Knudsenströmung in die molekulare Strömung übergeht. Die vorherrschende Strömungsart hat nicht nur fundamentalen Einfluss auf die Verwendung des Vakuums, sondern auch auf die Vakuumerzeugung und -messung selbst. Im breiten Bereich des Hochvakuums erhöht sich die Dauer, in der jede Stelle der Oberfläche im Mittel einmal von einem Restgasteilchen getroffen wird, von einer Stunde auf ein Jahr, für viele Experimente ausreichend. Im Bereich des UHV beginnen die Dampfdrücke von Konstruktionswerkstoffen zu stören, z.B. von Blei-Verunreinigungen in Aluminium. Ein Ideales Vakuum ist technisch weder erreichbar noch messbar.

Vorkommen und Beispiele nach Vakuumqualität:

  • lediglich ‘Unterdruck’: Staubsauger (> 0,5 bar)
  • Grobvakuum: Vakuumverpackung, Glühlampen, Dampfturbinenkondensator (≈ 0,03 bar)
  • Feinvakuum: Niederdruck-Gasentladungslampen
  • Hochvakuum: Elektronenröhren, Teilchenbeschleuniger
  • Ultrahochvakuum: Teilchenbeschleuniger, erdnaher Weltraum, häufig in Anlagen der Halbleiterindustrie
  • extrem hohes Vakuum: Weltraum

Messgeräte zur Bestimmung des Gasdrucks in einem Vakuum nennt man Vakuummeter.

Physikalische, chemische und thermodynamische Eigenschaften

Licht, Teilchen, 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 Wärmeübertragung (Konduktion und Konvektion).

Die Verringerung von Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmeleitung (Konduktion) (siehe Gitterschwingungen; Phononen) findet Anwendung in Isolierkannen, Dewar-Gefäßen und zur Wärmeisolation von Tanks für Flüssiggas (Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Helium).

Die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit von 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. Auch bei Vakuum-Leistungsschaltern wird dies ausgenutzt. Für Hochspannungsanwendungen ist es neben einem guten Vakuum erforderlich, alle Kanten rund zu gestalten, um Feldemission zu vermeiden.

Biologische Auswirkungen

Das Vakuum ist kein Lebensraum, da Lebewesen auf Materie zu ihrem Stoffwechsel angewiesen sind. Allerdings können viele Lebewesen (Bakteriensporen, Pflanzensamen und -sporen) einen gewissen Zeitraum im Vakuum überleben.

Für kurze Zeit können auch höhere Lebewesen wie der Mensch dem Vakuum widerstehen. Entgegen der üblichen Annahme fängt das Blut auf Grund des Druckunterschieds nicht an zu kochen, da Haut und Gewebe normalerweise in der Lage sind, dem Dampfdruck der Körperflüssigkeiten von unter 0,05 bar (normaler Luftdruck ist 1 bar) zu widerstehen.[1]

Erzeugung

Auf der Erde kann ein Vakuum erzeugt werden, indem ein abgeschlossener Hohlraum, der Rezipient, vom darin enthaltenen Gas mittels geeigneter Vakuumpumpen befreit wird. 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).

Ultrahochvakuum

In der angewandten Physik und Oberflächenchemie werden mehrere Pumpentypen eingesetzt, um ein Ultrahochvakuum zu erzeugen. Zunächst wird mit mechanisch wirkenden Pumpen (z. B. Drehschieberpumpe, Membranpumpe oder Scrollpumpe) ein Vordruck im Rezipienten im Bereich von 0,01 bis 1 mbar erzeugt. Abhängig von der Größe des Rezipienten und der Pumpleistung der Pumpen dauert dies im Normalfall einige Minuten. Danach erzeugen Turbomolekularpumpen in einem bis zu mehreren Stunden dauernden Prozess ein Hochvakuum mit einem Basisdruck 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 mit niedrigem Dampfdruck (z. B. Kohlenwasserstoffen) dies verhindert.

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 Kohlenwasserstoff-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 heruntergefahren.

Zum Erreichen des Ultrahochvakuums werden nichtmechanische Pumpen zum Einsatz gebracht. Eine Ionengetterpumpe pumpt durch Ionisation und Einfangen der Restgasmoleküle in Titanröhrchen in einem Druckbereich von 10-10 bis 10-7 Millibar. Hier zeigt sich, dass die Pumpleistung nur dann ausreichend ist, wenn das Ausheizen vorher den Restgasdruck ausreichend vermindert hat. Eine Titansublimationspumpe arbeitet 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 mbar.

Durch Kühlfallen am unteren Teil der Kammer kann nun weiteres Restgas temporär gebunden werden und der Kammerdruck auf ungefähr 10−12 mbar gesenkt werden. Wird die gesamte Kammer in flüssiges Helium getaucht, so sind Drücke von unter 10−16 mbar erreichbar.

Anwendungen

Technische Vakua finden Anwendung in der Forschung, in der Elektronenmikroskopie, bei der Erschmelzung von metallischen Werkstoffen und in der Fertigung von Mikroelektronik.

Sehr oft wird Vakuum bei der Wärmebehandlung von Metallen (Härten, Anlassen, Nitridieren, Aufkohlen) eingesetzt, um ein Oxidieren durch Sauerstoff, der sich in der Luft befindet, zu verhindern.

Im Innenraum von Elektronenröhren und Bildröhren herrscht Hochvakuum, um die Streuung der Elektronen gering zu halten. Verbleibende und später ausdiffundierende Gasreste werden mit einem Getter gebunden.

Es gibt Zweischeiben-Isolierglas, bei dem zwischen den Scheiben ein Vakuum statt eines Edelgases ist.[2] Weil sich die beiden Scheiben unter dem einseitig auf den Scheiben lastenden Luftdruck verformen, sind unscheinbare transparente Abstandshalter zwischen den Scheiben auf die Fläche verteilt erforderlich. Ergebnis ist eine vergleichsweise dünne und leichte Verglasung mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit[3]. Zum Vergleich: die meisten Dreifachverglasungen haben eine Glasdicke von 4 + 12 + 4 + 12 + 4 = 36 mm; die meisten Zweifachverglasungen von 4 + 16 + 4 = 24 mm. Dreifachverglasungen sind systembedingt 50 % schwerer als Zweifachverglasungen und haben zwei Randverbünde statt einen; sie sind deshalb in der Herstellung je nach Fenstergröße etwa 60 – 70 % teurer.

Evakuieren als Trennverfahren (DIN 8580)

Nach DIN 8580 Fertigungsverfahren – Begriffe, Einteilung gehört Evakuieren zu den grundlegenden Stofftrennverfahren.

Die Gefriertrocknung entzieht Stoffen Wasser, indem sie tiefgefroren und einem Vakuum ausgesetzt werden. Beim Gefriertrocknen etwa von Kaffee, Tee, Gemüse, Blut oder auch biologischen Präparaten findet Sublimation statt, das Eis geht direkt in die Gasphase über, es gibt hierbei keine flüssige Phase, die sieden könnte.

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

Auch beim Kernschritt der Plastination, der forcierten Imprägnierung, wird Vakuum benutzt, um Aceton oder Dichlormethan aus dem Präparat zu extrahieren.

Weitere technische Anwendungen

Hochvakuum ist die Voraussetzung für die Funktion vieler technischer Geräte, zum Beispiel der Elektronenröhre. Auch Glühlampen und somit das elektrische Licht wurden erst durch das Vakuum möglich. Vor allem bei Edisons Glühlampe mit Kohlefaden verhinderte das Vakuum, dass der Glühfaden verbrannte (siehe auch Kohlenfadenlampe); erst später wurden Glühlampen mit einer Füllung aus Stickstoff oder anderem Gas, das die Verbrennung nicht unterstützt, hergestellt. Das Hochvakuum in Elektronenröhren (auch Bildröhren), Röntgenröhren, Magnetrons, Elektronenstrahlquellen, Teilchenbeschleunigern, Vakuum-Fluoreszenzanzeigen u. ä. vergrößert die freie Weglänge der Elektronen auf ein Maß von der Größenordnung des gesamten Gefäßes, so dass kaum Stöße mit Gasresten stattfinden und so den Teilchenstrahl nicht stören.

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

Ein Grobvakuum wird auch häufig verwendet, um mit Hilfe von Sauggreifern flächige Werkstücke festzuhalten und / oder zu transportieren.

Vakuum als Konservierung

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln (Vakuumverpackung) und anderen verderblichen Produkten unter Vakuum. Vakuum eignet sich, weil es kein Lebensraum ist, als Konservierungsmethode. Die verderblichen Mittel werden von gasdichten Kunststoffhüllen umschlossen und sind durch die Abwesenheit des Alterungs- und Verwesungsvorgangs unterstützenden Luftsauerstoffs länger haltbar, indem Stoffwechsel- und Oxidationsprozesse verlangsamt werden.

Im Haushalt können Lebensmittel in Tüten verpackt und mit Vakuumiergeräten evakuiert werden, so dass sich die Tütenfolie an das verpackte Gut anlegt; dadurch gelangt weniger Sauerstoff an die Lebensmittel. Zusätzlich verringert sich das Volumen. Die verwendeten Vakuumiergeräte können jedoch nur ein mittelmäßiges Grobvakuum erzeugen.

Eine andere Methode ist das Einwecken/Einkochen. Durch das Kochen werden die Lebensmittel sterilisiert und eventuell enthaltene Gase ausgetrieben. Bei Befüllung der Einweckgläser mit Lebensmitteln in flüssiger Form kann die Luft aus dem Glas vollständig verdrängt werden. Durch die Dichtungsringe kann ein besseres Grobvakuum über längere Zeiträume erhalten bleiben.

Vakuum des Weltraums

Das im Weltraum im interstellaren Raum oder im intergalaktischen Raum herrschende Vakuum ist vollkommener als jedes auf der Erde herstellbare Vakuum. Allerdings ist auch der Weltraum nicht völlig leer, sondern enthält durchschnittlich ein Teilchen pro cm³, innerhalb von Voids jedoch deutlich weniger. Auch kommen dort statische elektrische und magnetische Felder, Gravitationsfelder sowie elektromagnetische Wellen (Photonen) und Teilchenströme (Neutrinos, kosmische Strahlung, Partikel) vor (siehe auch Plenismus).

Umgebungsparameter erdnaher Weltraum[4]
Druck in mbar Teilchen pro m3 mittlere freie Weglänge in km
Interplanetarer Raum < 10−18 < 104 1011
GEO 10−17 10 5 >1010
äußerer Van-Allen-Gürtel 10−13…10−9 109…1013 106
LEO 10−7…10−8 1015…1014 ca. 2

Künstliche Satelliten und Raumsonden unterliegen daher besonderen konstruktiven Anforderungen: Die Regelung des Wärmehaushaltes (innere Wärmequellen und Sonneneinstrahlung) kann nur durch Wärmeleitung und -strahlung erfolgen, Wärmeabgabe und -aufnahme müssen durch teilweise variable absorbierende bzw. abstrahlende oder reflektierende Elemente (Jalousien, wärmeabstrahlende Kühlkörper, Heatpipes) gewährleistet werden.

Im Sonnenschatten lassen sich aufgrund des Vakuums durch Abstrahlung auch gezielt sehr tiefe Temperaturen erzeugen (z. B. für Infrarot- und Radiowellen-Strahlungssensoren).

Zur Unterscheidung zu geschlossenen Räumen im Weltraum, z.B. in Raumstationen, ist der Begriff „offener Raum“ gebräuchlich.

Siehe auch

Literatur

  •  Max Wutz, Hermann Adam, Wilhelm Walcher, Karl Jousten: Handbuch Vakuumtechnik. Theorie und Praxis. Vieweg, 2000, ISBN 3-528-54884-3.
  •  Wolfgang Pupp, Heinz K. Hartmann: Vakuumtechnik: Grundlagen und Anwendungen. Fachbuchverlag Leipzig, Leipzig 1991, ISBN 3-446-15859-6.
  •  Henning Genz: Nichts als das Nichts. Die Physik des Vakuums. WILEY-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-40319-1.
  •  Frank Close: Das nichts verstehen. Die Suche nach dem Vakuum und die Entwicklung der Quantenphysik. Spektrum Akademischer Verlag, 2009, ISBN 978-3-8274-2095-4.
  •  John D. Barrow: The Book of Nothing. Jonathan Cape, London 2000, ISBN 0-224-05962-9.
  • Karin Wey, Ralph Jürgen Peters: Geschichte der Vakuumtechnik. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 14, Nr. 3, ISSN 0947-076X, 2002, S. 180–183 (doi:10.1002/1522-2454(200206)14:3<180::AID-VIPR180>3.0.CO;2-A).
  • Heinz-Dieter Bürger: Die Geschichte der Vakuumkühlung. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 16, Nr. 2, ISSN 0947-076X, 2004, S. 67–70 (doi:10.1002/vipr.200400217).
  •  C. Granda, R. G. Moreira, S. E. Tichy: Reduction of Acrylamide Formation in Potato Chips by Low-temperature Vacuum Frying. In: Journal of Food Science. 69, Nr. 8, 2004, S. 405–411, doi:10.1111/j.1365-2621.2004.tb09903.x (PDF).
  • I. J. R. Aitchison: Nothing's plenty - The vacuum in modern quantum field theory. In: Contemporary Physics. 50, Nr. 1, 2009, ISSN 0010-7514, S. 261–319.

Weblinks

 Commons: Vacuum – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Wiktionary Wiktionary: Vakuum – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Wikiquote: Vakuum – Zitate
 Wikiquote: Leere – Zitate

Einzelnachweise

  1. Human Body in a Vacuum. In: Ask an Astrophysicist. NASA, 3. Juni 1997, abgerufen am 6. Januar 2008 (englisch).
  2. www.pilkington.com Hersteller-Informationen
  3. Bine-Informationsdienst Energieforschung für die Praxis
  4. Birgit Strackenbrock: Technologien für das 21. Jahrhundert. In: Brockhaus Mensch, Natur, Technik. Leipzig 2000, ISBN 3-7653-7945-X, S. 598.