Raytheon Radarange

Ein Mikrowellenherd oder auch Mikrowellenofen (kurz: Mikrowelle) ist ein Gerät zum schnellen Erhitzen von Speisen, Flüssigkeiten und anderen geeigneten Stoffen mithilfe der Absorption von Dezimeterwellen (Mikrowellen).

Mikrowellenherd.

Geschichte

Percy Spencer entdeckte, dass Essen per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, als er Magnetrons für Radaranlagen bei dem Unternehmen Raytheon baute. Er arbeitete an einem Radargerät, als er ein seltsames Gefühl spürte und sah, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche zu schmelzen begann. Er war nicht der Erste, der dieses Phänomen bemerkte. Allerdings war er als Halter von 120 Patenten mit Entdeckungen und Experimenten vertraut und verstand, was geschehen war: Das Radar hatte die Schokolade durch die Mikrowellenstrahlung geschmolzen. Popcorn war das erste Nahrungsmittel, das gezielt auf diese Weise zubereitet wurde, das zweite ein Ei (welches vor den Augen der Experimentatoren explodierte). In Nordamerika ist Mikrowellen-Popcorn eine der am häufigsten in der Mikrowelle zubereiteten Speisen. Andere Verfahren der privaten Zubereitung (z. B. Heißluft) wurden fast vollständig verdrängt.

Der Mikrowellenherd wurde 1946 von Percy Spencer im Unternehmen Raytheon (Hersteller von Hochfrequenztechnik) erfunden und patentiert, 1947 wurde das erste Exemplar gebaut. Dieses war fast 1,80 m hoch und wog 340 kg. Es besaß eine Wasserkühlung und hatte eine Leistung von 3000 W, etwa das Dreifache von heute üblichen Haushaltsgeräten. Einer der ersten kommerziellen Mikrowellenherde hatte 1954 eine Leistung von 1600 W und kostete zwischen 2000 und 3000 $. 1965 kam das erste populäre Gerät für 495 $ auf den Markt.

Mikrowellenherde waren anfangs zunächst in Passagierflugzeugen populär – sie wurden von Unternehmen hergestellt, die Erfahrung mit Magnetrons aus der Entwicklung von Radargeräten hatten.

Da der Preis von Mikrowellenherden in den 1970er Jahren rapide sank, stiegen die Verkaufszahlen deutlich an: 1970 wurden in den USA 40.000 Geräte verkauft, 1975 waren es schon eine Million. Heutzutage besitzen 95 % der amerikanischen Haushalte ein Mikrowellengerät.

Weitere Anwendungen

Große Mikrowellengeräte werden industriell als Alternative zu Autoklaven zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt oder deren Einsatzmöglichkeiten werden erforscht. Dabei ist besonders die Energieersparnis, die auf der Tatsache beruht, dass nur das Werkstück erhitzt wird (siehe Wirkungsweise/Wirkungsgrad), im Vergleich zu anderen Herstellungsmethoden von Faserverbundwerkstoffen interessant. Weitere Anwendungen sind das Trocknen von Lebensmitteln wie zum Beispiel Nudeln, das Hitzestabilisieren von Getreidekeimlingen oder das Trocknen anderer Materialien. Mehr dazu steht im Beitrag Dielektrische Erwärmung.

Wirkungsweise

Dipolmoment eines H₂O-Moleküls.
Links: tatsächlicher Aufbau
Rechts: elektrisches Dipol

Der Mikrowellenherd verwendet elektromagnetische Wellen in einem geschlossenen Metallraum, durch die insbesondere das in den eingebrachten Lebensmitteln stets enthaltene Wasser erwärmt wird. In Wassermolekülen sind die Ladungsschwerpunkte deutlich voneinander getrennt, man spricht von einem Dipolmoment seiner Moleküle. In einem elektrischen Wechselfeld müssen sich diese Moleküle immer wieder neu orientieren, das erzeugt Reibungswärme. Deshalb besitzt es in einem breiten Frequenzbereich einen hohen dielektrischen Verlustfaktor und erwärmt sich in Hochfrequenzfeldern besonders gut. Durch Wärmeleitung wird die Wärme auch auf benachbarte Bereiche übertragen, die sich durch Mikrowellen nicht direkt anregen lassen. Gefrorenes Wasser (Eis) kann übrigens nur schlecht im Mikrowellenherd erwärmt werden, da die Wassermoleküle im Eiskristall fixiert, also schlecht beweglich sind. Daher werden die Mikrowellen im Eis nur wenig absorbiert.

Die Wirkung beruht auf der dielektrischen Erwärmung, aber nicht wie oft behauptet, auf der Resonanz der Wassermoleküle. Wasser hat seine niedrigste Resonanzfrequenz im flüssigen Zustand bei 18 GHz (entsprechend einer Wellenlänge λ = 1,667 cm), freie Wassermoleküle (Dampf, Luftfeuchtigkeit) bei 22,23508 GHz. Mikrowellenherde benutzen aber elektromagnetische Strahlung mit einer viel tieferen Frequenz von typischerweise 2,455 GHz (λ = 12 cm). Die Frequenzwahl ist das Ergebnis eines Kompromisses:

• Der Leistungsoszillator (Magnetron) mit mindestens 500 W muss sich einfach und billig herstellen lassen
• Die Wellenlänge (12 cm) muss deutlich kleiner sein als die Abmessung des Garraumes
• Die Wellenlänge darf nicht geändert werden können, weil sonst die Resonanzdichtung des Türspaltes unwirksam wird
• In der Umgebung des dafür reservierten ISM-Frequenzbandes dürfen keine wichtigen Funkdienste arbeiten
• Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in Speisen soll einige Zentimeter betragen

Je niedriger die Frequenz, desto größer die Eindringtiefe, desto schlechter aber auch die Absorption. Bei zu hoher Frequenz und kleiner Eindringtiefe wird nur die Oberfläche erwärmt.

Ein Magnetron mit 2,455 GHz lässt sich kostengünstig herstellen, und die Frequenz ist durch seine inneren mechanischen Abmessungen unveränderlich. Die Eindringtiefe in Wasser liegt dann im Bereich weniger Zentimeter. Zur Erwärmung von wasserhaltigen Speisen könnte aber auch problemlos jede andere Frequenz verwendet werden, mit jeweils anderen Eindringtiefen. In manchen Ländern wie den Vereinigten Staaten kommt für industrielle Mikrowellenherde auch die Frequenz um 915 MHz zum Einsatz. Dort ist der Bereich 902–928 MHz als ISM-Frequenzband frei verwendbar.

Aufbau

Magnetron eines Mikrowellenherdes im Längsschnitt (Magnete und Kühlrippen entfernt)

Elektrischer Anschluss des Magnetrons

Magnetron schematisch

Die Mikrowellen werden mit Hilfe eines Magnetrons erzeugt und mittels eines Hohlleiters in den metallischen Garraum geleitet. Der Garraum verhindert die Ausbreitung der Mikrowellen außerhalb des Gerätes.

Zur Versorgung des Magnetrons ist eine hohe Anodenspannung erforderlich (etwa 5 kV), die im Gerät mit Hilfe eines Hochspannungstransformators und einer Spannungsverdopplerschaltung erzeugt wird. Die an der Kathode anliegende Hochspannung schwankt periodisch mit der Frequenz 50 Hz zwischen 0 und etwa 5 kV; die Schwellspannung des Magnetrons bewirkt, dass lediglich kurze Stromimpulse auftreten, wenn die Versorgungsspannung größer als die Schwellspannung ist. Um die Größe des Kondensators (ca. 10 cm) zu begrenzen, ist er so dimensioniert, dass er die sekundärseitige Streuinduktivität des Transformators (im Schaltbild nicht angegeben) in etwa kompensiert. Das Magnetron wird so angeschlossen, dass die Anode mit dem Gehäuse des Mikrowellenherdes verbunden ist, weil dann die Sendeantenne nicht auf Hochspannungspotential liegt. Der Transformator versorgt auch die Glühkathode des Magnetrons mit Strom. Ein Ventilator kühlt das Magnetron und bläst dessen Verlustwärme durch den Garraum.

Die Leistungssteuerung erfolgt meist durch Intervallbetrieb: Das Magnetron arbeitet immer mit voller Leistung, wird aber im Rhythmus von einigen Sekunden ein- und ausgeschaltet. Durch das Verhältnis von Ein- zu Auszeit wird dabei die mittlere Leistung gesteuert.

Das Strahlungsfeld der eingebauten Mikrowellenantenne füllt den Garraum des Herdes sehr ungleichmäßig aus. Um eine gleichmäßige Erwärmung der Speisen zu erreichen, sollen ortsfeste Moden im Garraum verhindert werden, so dass Orte hoher Strahlungsleistung ständig variieren. Hierfür werden rotierende, willkürlich geformte metallische Flügelräder im Inneren des Garraumes (meist an der Decke unter einer geeigneten Abdeckung) verwendet, die die Moden des wie ein Hohlraumresonator wirkenden Garraumes ständig ändern. Um eine gleichmäßige Einwirkung zu erreichen, wird das Gargut in vielen Geräten mittels eines Drehtellers gedreht.

Die Tür ist in zweifacher Hinsicht sicherheitsrelevant: Sie schirmt die Mikrowellen im Inneren des Herdes ab und verhindert durch ihren Verschlussmechanismus, dass das Gerät bei geöffneter Tür arbeitet. Weiterhin gewährt sie Einblick durch ein Lochblech, vor dem sich eine durchsichtige Scheibe befindet. Die Öffnungen im Lochblech sind sehr viel kleiner als die Wellenlänge der Mikrowellen (etwa 12 cm). Auf diese Weise wird das elektromagnetische Feld im Garraum von der Umgebung abgeschirmt. Die Tür hat einen umlaufenden Spalt mit einem Umfang des Querschnittes eines Viertels der Wellenlänge (Resonanzdichtung). Dieser Spalt wirkt auch ohne elektrischen Kontakt als frequenzselektive Dichtung für elektromagnetische Felder im Ofen. Üblicherweise ist der Spalt zusätzlich mit einem elektromagnetisch verlustbehafteten Material gefüllt.

Anwendungshinweise

Es ist darauf zu achten, dass die Leistung des Magnetrons immer ausreichend absorbiert wird, da es sonst Schaden nehmen kann (Rückreflexion). Deshalb sollte man einen Mikrowellenherd nicht mit leerem Garraum einschalten.

Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts verschiedener Speisen (oder Teilen davon), kann es trotz Stirrer (englisch für Rührer) und Drehteller zur inhomogenen Erwärmung kommen – so erwärmen sich beispielsweise Knochen im Vergleich zum Fleisch relativ gering. Salziges erwärmt sich mehr als Fettiges. Zum sicheren Durchgaren der Speisen ist es daher ratsam, diese abzudecken und gegebenenfalls mit geringerer Leistung länger zu garen.

Es wird auch empfohlen, die Speisen in mehreren Intervallen mit Pausen dazwischen zu erwärmen. Moderne Mikrowellenherde verfügen auch über eine sogenannte Auftaufunktion. Hierbei wird in kurzen Abständen zuerst durch Mikrowellen bereits geschmolzenes Wasser erwärmt, dann einige Zeit gewartet, bis durch die zugeführte Wärme noch gefrorenes Wasser aufgetaut wird, um dann wieder von vorne zu beginnen.

Berüchtigt sind sogenannte „hot spots“ in den Speisen – diese können zu Verkohlungen und Schadstoffen führen.

Auch der Effekt des Überhitzens von Wasser in glatten Gefäßen ist eine mögliche Gefahrenquelle: Es kann passieren, dass Wasser über den eigentlichen Siedepunkt erhitzt wird, ohne zu sieden – diese Gefahr besteht vor allem bei mehrmaligem Erhitzen in der Mikrowelle aufgrund der dann geringeren Anteils gelöster Gase. Das überhitzte (siehe Siedeverzug) Wasser kann dann bei Bewegung plötzlich verdampfen. Das bedeutet, dass bei Entnahme ein Teil des Wassers explosionsartig zu Dampf wird und Wasser aus dem Gefäß schleudert. Abhilfe kann hier ein im Glas stehen gelassener Glasstab schaffen, an dem sich beim Sieden Dampfblasen bilden können.

Wegen der hohen Sendeleistung des Magnetrons können in Metallteilen im Garraum Ströme von mehr als 20 A fließen. Dünne Metallschichten, beispielsweise Alufolie, Geschirr mit metallischen Verzierungen oder ähnliche Dinge, können deshalb schmelzen. Dickere Gegenstände wie Besteck werden dagegen nur heiß. Das gelegentlich verbreitete Gerücht, Metall sei in der Mikrowelle tabu, ist falsch. Schließlich besteht der Mikrowellenherd selbst aus Metall. Man kann problemlos beim Erhitzen einer Flüssigkeit einen Metall-Löffel hinein stellen, was auch dem Siedeverzug entgegenwirkt.

Wenn man Metallstücke mit ungeeigneter Geometrie wie etwa Gabeln, oder mit geringem Abstand zur Wandung in den Garraum einbringt, können Funkenüberschläge entstehen, wenn die erzeugte elektrische Feldstärke ausreichend ist (≥ 10⁶ V·m^-1).

Spezielles, sogenanntes Bräunungsgeschirr sowie andere verlustbehaftete dielektrische oder elektrisch mittelmäßig leitfähige Stoffe sowie ferromagnetische Keramik werden erwärmt. Unglasiertes Steingutgeschirr oder solches mit Rissen in der Glasur kann sich mit Wasser vollsaugen, wodurch es dann indirekt erwärmt wird. Dies führt dann beispielsweise dazu, dass eine Suppenschale zu heiß zum Anfassen wird, während die Suppe im Inneren sich nur an der Oberfläche (der Eindringtiefe entsprechend) erwärmt.

Gefahren

Mikrowellenstrahlung

Warnsymbol vor nicht ionisierender Strahlung, wie es Mikrowellen sind.

Die Mikrowellenstrahlung wirkt auch auf menschliches Gewebe erwärmend. Sie kann durch lokales Aufwärmen zu Schädigungen des Gewebes zum Beispiel Verbrennungen führen. Insbesondere schwach durchblutetes Gewebe, das Wärme über den Blutkreislauf nicht schnell abführen kann, zum Beispiel die Augen, sind in erhöhtem Maß vor Mikrowellen zu schützen. Bei zu starker Erwärmung der Augenlinse kann ein Grauer Star ausgelöst werden.

Die Entstehung von Schadstoffen durch das Verfahren der Mikrowellenerwärmung wird wiederkehrend diskutiert. Mikrowellen zählen jedoch im Gegensatz z. B. zur Röntgenstrahlung zur nichtionisierenden Strahlung und erzeugen selbst weder molekulare noch chemische Strukturveränderungen. Mögliche lokale Verbrennungen an Speisen, wie sie auch bei anderen Garvorgängen auftreten können, sind jedoch eine mögliche Quelle von Schadstoffen.

Bei einem intakten Mikrowellenherd tritt aufgrund der Abschirmung des Garraums nur eine geringe Strahlungsleistung aus, von der keine Gefahr ausgeht ^[1]. Mikrowellenherde sind sehr gut gegen Betrieb mit offener Tür geschützt – auch im Fehlerfall. Geräte mit beschädigtem/verbogenem Gehäuse oder Tür sollten aber nicht weiterverwendet werden, da dann auch außerhalb des Geräts verhältnismäßig starke hochfrequente elektromagnetische Felder auftreten können, die eine Verletzungsgefahr bergen.

Brandgefahr

Bestimmte Speisen und andere Stoffe können sich in einer Mikrowelle wie auch bei anderen Verfahren der Speisezubereitung soweit erhitzen, dass sie zu schwelen oder zu brennen beginnen. Entstehende Verkohlungen und auch Flammen absorbieren Mikrowellenstrahlung ihrerseits ebenfalls, sodass sich der Effekt verstärkt. Mikrowellenherde besitzen daher über dem Garraum im Bereich des Luftaustritts einen Thermoschalter, der das Gerät bei Überhitzung abschaltet. Im Inneren ablaufende Brände sind durch das doppelwandige Gehäuse weitgehend von der Umgebung isoliert, können jedoch gesundheitsschädliche Brandgase entwickeln.

Wirkungsgrad

Ein Elektroherd setzt beinahe 100 % der elektrischen Energie in Wärme um. Ein Mikrowellenherd verwandelt nur 50 bis 60 % der aufgenommenen elektrischen Energie in Mikrowellenstrahlung, der Rest wird zu Abwärme. Andererseits heizen die Mikrowellen gezielt lediglich die zu erwärmende Speise, nicht aber den Herd oder dessen Umgebung selbst. Deshalb ist der Mikrowellenherd bei kleineren Portionen energetisch günstiger. Als Richtwert gelten ca. 250 ml Flüssigsubstanz: Es ist hiernach günstiger, 250 ml Flüssigkeit bzw. 250 Gramm einer wasserhaltigen Speise im Mikrowellenherd zu erhitzen, statt in einem Topf auf dem Elektroherd, möglicherweise zusammen mit zusätzlich erforderlichem Wasser.
Das Erwärmen von Wasser ist allerdings im elektrischen Wasserkocher am effektivsten – er hat aufgrund der geringen Wärmekapazität seiner Heizspirale eine sehr viel höhere Effizienz als ein Magnetron oder eine Kochplatte.

Sonstiges

Mikrowellen mit bis zu mehreren hundert Watt werden auch therapeutisch zur Gewebeerwärmung beim medizinischen Verfahren der Diathermie eingesetzt (vgl. Dielektrische Erwärmung). Der Wärmeeintrag wird genau wie beim Mikrowellenherd über gepulstes An- und Abschalten gesteuert. Mikrowellen mit Leistungen von vielen Kilowatt werden zur industriellen Trocknung und Erwärmung, zur Plasmageneration und in Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Sie werden wie in der Mikrowelle mit Magnetrons oder auch mit Klystrons erzeugt.

Magnetrons aus Mikrowellenöfen werden von Funkamateuren als Sender z. B. zur Erde-Mond-Erde-Kommunikation eingesetzt.

Spül- und Putzlappen sind geeignete Lebensräume für Mikroorganismen. Eine aktuelle Studie^[2] (2007) zeigt, dass sich Mikrowellenherde auch für die Sterilisation kontaminierter Schwämme oder Tücher eignen: Schon zwei Minuten in einem solchen Ofen bei voller Leistung töten rund 99 Prozent aller Keime (Bakterien und Viren) ab, vier Minuten sind ausreichend, um auch hartnäckige Bakteriensporen zu inaktivieren. Da die Mikrowelle die Erwärmung durch Absorption in Wasser erzeugt, müssen Schwämme oder Tücher in nassem Zustand in die Mikrowelle gegeben werden; die Keime werden durch die hohe Temperatur und nicht durch die Strahlung als solche abgetötet.
Energetisch, in Anbetracht der möglicherweise entweichenden schlechten Gerüche sowie der Gefahr einer nicht durchgehenden Erhitzung (Auflage) und der Brandgefahr empfiehlt es sich jedoch sicher eher, Lappen stattdessen bei >60 °C in der Waschmaschine mit zu waschen.

In den USA werden Mikrowellenherde mit dem Warnhinweis "Nicht geeignet zum Trocknen von Haustieren" verkauft. Ob diese Warnung älter ist als die damit zusammenhängende moderne Sage vom Haustier in der Mikrowelle, ist heute wohl nicht mehr eindeutig zu klären.

Nach der Einführung des ePass wurde seitens des Chaos Computer Clubs und Gegnern zunehmender Überwachungsmassnahmen als Akt zivilen Ungehorsams dazu aufgerufen, den im Dokument enthaltenen Chip, auf dem persönliche Daten des Inhabers gespeichert sind, mittels eines Mikrowellenherdes zu zerstören. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass der Pass dennoch seine Gültigkeit behält, da er nach wie vor eine Identifikation der Person ermöglicht.^{[3] [4]}

Literatur

• Klaus-Peter Möllmann, Michael Vollmer: Kochen mit Zentimeterwellen: Die Physik der Haushaltsmikrowelle. Physik in unserer Zeit 35(1), S. 38 – 44 (2004), ISSN 0031-9252

Siehe auch

• Induktionsherd – ebenfalls Energieeinsparung, besonders bei kleinen Mengen, durch gezieltere Erhitzung (Induktive Erwärmung) als bei Elektroherden
• Cole-Cole-Diagramm (Graphische Darstellung der komplexen Permittivität von Wasser)
• Elektrowärme
• Dielektrische Erwärmung

Einzelnachweise

1. ↑ Bundesamt für Strahlenschutz – Artikel zu HF-Feldern
2. ↑ Gabriel Bitton (University of Florida, Gainesville) et al.: Journal of Environmental Health, Bd. 69, S. 17 (Bericht in www.wissenschaft.de, 24.01.2007)
3. ↑ Hacken im Polizeistaat Die Zeit vom 2. Januar 2006
4. ↑ Reisepässe in die Mikrowelle die tageszeitung vom 26. Dezember 2007

Weblinks

• Funktionsweise des Mikrowellenherdes aus physikalischer Sicht
• Was sucht die Lampe in der Mikrowelle? Artikel aus de Hausgeräte 1/2005 (PDF)
• Mikrowelle: Kein negativer Einfluss auf Lebensmittel