Vakuumphysik

Schulhistorisches Gerät zur Demonstration von Vakuum

Das Wort Vakuum (von lat. vacuus ‚leer‘) bedeutet (weitestgehend) leerer Raum.

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 Fluids in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen. Bei extrem niedrigem Absolutdruck spricht man von Hochvakuum.

Im Rahmen der modernen Quantenphysik lässt sich ein so einfaches Modell von Vakuum nicht verwenden: 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 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 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, 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 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.

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.

Eigenschaften des Vakuums

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 Vakuum 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
Umgebungsdruck	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

Diese Einteilung der Druckbereiche ist letztendlich durch die unterschiedlichen Strömungsarten begründet, die sich druckabhängig in Verbindung mit typischen vakuumtechnischen Apparaturabmessungen einstellen. Die vorherrschende Strömungsart hat nicht nur fundamentalen Einfluss auf die Verwendung des Vakuums, sondern auch auf die Vakuumerzeugung und -messung selbst. Bei hohen Drücken herrscht viskose Strömung, d. h., ein Gasmolekül führt sehr viel häufiger Stöße mit anderen Gasmolekülen aus als mit den Wänden der Apparatur, so dass es der Vorzugsrichtung des Gases folgt. Im anderen Extremfall, der molekularen Strömung, ist das Gas so stark verdünnt, dass ein Molekül fast immer bis zu einer Wand fliegt ohne mit anderen Molekülen zu kollidieren. Dieser Unterschied hat zwei Konsequenzen: Zum einen existiert keine Vorzugsrichtung des Gases mehr und zum anderen bestimmt statt der im hohen Druckbereich dominierenden elastischen Stöße die Adsorption der Moleküle an den Wänden die Eigenschaften des Vakuums. Im dazwischen liegenden Druckbereich, also dort, wo mittlere freie Weglänge und Apparaturabmessungen in benachbarten Größenordnungen liegen, herrscht Knudsenströmung.

Vorkommen und Beispiele nach Vakuumqualität:

• Grobvakuum: Staubsauger (>0,5 bar), Vakuumverpackung, Gasentladungslampen, Glühlampen, Dampfturbinenkondensator (~0,03 bar)
• Feinvakuum: Niederdruck-Gasentladungslampen
• Hochvakuum: Elektronenröhren, Teilchenbeschleuniger
• Ultrahochvakuum: Teilchenbeschleuniger, erdnaher Weltraum, häufig in Anlagen der Halbleiterherstellung
• XHV: Weltraum, (selten) in Anlagen der Halbleiterherstellung

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

Physikalische, chemische und thermodynamische Eigenschaften

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 Wärmeübertragung (Konduktion und Konvektion).

Die Verringerung von Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmeleitung (Konduktion) (siehe Gitterschwingungen; Phononen) findet Anwendung in Thermoskannen, 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 Hochspannunganwendungen 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 kann auch ein höheres Lebewesen, wie der Mensch, dem Vakuum widerstehen. Entgegen der üblichen Annahme, fängt das Blut auf Grund des Druckunterschieds nicht (sofort) an zu kochen, da Haut und Gewebe normalerweise in der Lage sind, einem Druckunterschied von einem Bar (normaler Luftdruck ist 1 Bar) einige Zeit zu widerstehen. Es ist jedoch zu empfehlen bei dem Vorgang auszuatmen, um Schäden der Lunge zu meiden. Durch den sehr geringen Wärmeverlust (fast nur Wärmestrahlung) kühlt der Körper auch erst nach längerer Zeit aus.^[1]

Herstellung von Vakuum

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).

Ultrahochvakuum

In der angewandten Physik bedient man sich mehrerer Pumpentypen 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. Als nächstes 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, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen, mit niedrigem Dampfdruck, auch bei unendlicher lang andauernder Pumpleistung 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 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 heruntergefahren.

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

Anwendungen

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

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.

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 aller Elektronenröhren (auch Bildröhren, Röntgenröhren, Magnetrons, Elektronenstrahlquellen, Teilchenbeschleuniger, Vakuum-Fluoreszenzanzeigen); hierdurch wird die freie Weglänge der Elektronen auf ein Maß in der Größenordnung des Systems vergrößert, so dass kaum Stöße mit Gasresten stattfinden.

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.

Vakuum als Konservierung

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln und anderen verderblichen Produkte 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 sind.

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 besser 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).

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).

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
• 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. 

Quellen

• 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. 

Einzelnachweise

1. ↑ Human Body in a Vacuum. In: Ask an Astrophysicist. NASA, 3. Jun. 1997. Abgerufen am 6. Jan. 2008. (englisch)

Siehe auch

• Quantenvakuum
• Casimir-Effekt
• Plenismus
• Knudsenströmung

Weblinks

• Deutsches Museum München - Abbildung der Magdeburger Halbkugeln von Guericke
• Englisches FAQ: Explosive Dekompression und ihre Effekte auf den Körper.