Mikrowellenherd

Ein Mikrowellenherd oder auch Mikrowellenofen, Mikrowellengerät (kurz: Mikrowelle), ist ein Gerät zum schnellen Erwärmen von Speisen, Flüssigkeiten und anderen geeigneten Stoffen. Seine Wirkung beruht auf der Absorption von Dezimeterwellen (Mikrowellen), nämlich der Wandlung elektromagnetischer Feldenergie in Wärmeenergie.

Mikrowellenherd

Geschichte

Der US-Amerikaner Percy Spencer (1894–1970) entdeckte, dass Nahrung per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, als er Magnetrons für Radaranlagen bei Raytheon (Hersteller von Hochfrequenztechnik) baute. Als er gerade an einem Radargerät arbeitete, verspürte er ein seltsames Gefühl und sah, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche zu schmelzen begann. Er war nicht der Erste, der dieses Phänomen bemerkte. Allerdings war er als Inhaber 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 (beispielsweises mit Heißluft) wurden fast vollständig verdrängt.

Im Jahr 1947 baute Spencer das erste Exemplar eines Mikrowellenherdes; er war fast 1,80 m hoch und wog 340 kg. Er 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 Gerät mit weiter Verbreitung für 495 $ auf den Markt.

Mikrowellenherde waren anfangs 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 war es schon eine Million. Heutzutage besitzen 95 % der amerikanischen Haushalte ein Mikrowellengerät. In Deutschland sind es 2009 71,9 %^[1]

Weitere Anwendungen

Große Mikrowellengeräte werden industriell als Alternative zu Autoklaven für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt und deren Einsatzmöglichkeiten werden erforscht. Dabei ist die Energieersparnis im Vergleich zu anderen Herstellungsmethoden von Faserverbundwerkstoffen interessant, dies beruht auf der Tatsache, dass nur das Werkstück erhitzt wird (siehe Wirkungsweise und Wirkungsgrad). Weitere Anwendungen sind das Trocknen von Lebensmitteln wie zum Beispiel Nudeln, das Hitzestabilisieren von Getreidekeimlingen oder das Trocknen anderer Materialien. Nach der Verwendung von Haushaltsgeräten im chemischen Labor werden jetzt speziell entwickelte Labor-Mikrowellenherde angeboten.

Siehe auch: Dielektrische Erwärmung

Wirkungsweise

Dipolmoment eines H₂O-Moleküls,
rot: negative Teilladung
blau: positive Teilladung
grün: gerichteter Dipol

Ein Mikrowellenherd heizt das Gargut durch Absorption der namengebenden Mikrowellenstrahlung (elektromagnetischer Wellen mit 2,45 GHz) auf. Moleküle mit einem Dipolmoment, wie z.B. Wasser, versuchen sich stets nach dem elektrischen Wechselfeld auszurichten und werden dadurch zu Schwingungen angeregt. Die Effektivität der Energieübertragung wird durch den dielektrischen Verlustfaktor bestimmt.^[2] Die dadurch entstehende Wärmeenergie führt zu einer Temperaturerhöhung des Gargutes.

Die Wärmewirkung von Mikrowellen auf Flüssigkeiten oder feste Stoffe beruht auf der dielektrischen Erwärmung, die den oben dargestellten Wirkungsmechanismus mit einem physikalischen Modell beschreibt. Ein entsprechendes Modell wurde von Peter Debye entwickelt und nach ihm benannt. Gemäß der Debye-Relaxation existiert keine Resonanzfrequenz im strengen Sinn, sondern ein breiter Frequenzbereich, in dem eine starke Absorption erfolgt. Mikroskopisch entspricht diesem Modell eine Ausrichtung der Dipolmomente entlang des elektrischen Wechselfeldes der Mikrowellenstrahlung. Dieser Ausrichtung wirken die durch Wasserstoffbrücken vermittelten Wechselwirkungen entgegen. Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung des Herdes liegt nicht im Absorptionsmaximum, sondern 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.
• Das ISM-Band bei 2,455 GHz ist frei verfügbar.
• Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in Speisen soll einige Zentimeter betragen.

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

Ein Magnetron zur Erzeugung elektromagnetischer Felder mit einer Frequenz von 2,455 GHz lässt sich kostengünstig herstellen und die Frequenz ist durch dessen innere mechanische Abmessungen unveränderlich. Die Eindringtiefe in organische Stoffe und auch Wasser liegt dann im Bereich weniger Zentimeter. In manchen Ländern wie den Vereinigten Staaten kommt für industrielle Mikrowellenherde auch die Frequenz um 915 MHz zum Einsatz. Dort ist der Bereich zwischen 902 und 928 MHz als ISM-Frequenzband frei verwendbar.

Wirkungsgrad

Ein Mikrowellenherd verwandelt nur 65 % der aufgenommenen elektrischen Energie in Mikrowellenstrahlung, der Rest wird Abwärme.^[3] 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 250 ml Flüssigsubstanz. Es ist also günstiger, 250 ml Flüssigkeit (bzw. 250 Gramm einer wasserhaltigen Speise) im Mikrowellenherd zu erhitzen, statt in einem Topf auf dem Elektroherd.

Das Erwärmen von 1 Liter Wasser ist allerdings im elektrischen Wasserkocher am effizientesten, da er durch die geringe Wärmekapazität seiner Heizspirale eine deutlich höhere Effizienz als ein Magnetron oder eine eiserne Kochplatte besitzt.

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 Garraum geleitet. Dieser Garraum ist metallisch abgeschirmt, wodurch die Ausbreitung der Mikrowellen aus dem Gerät heraus verhindert wird.

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 wechselt dabei mit einer Frequenz von 50 Hz periodisch zwischen 0 und etwa 5 kV. Die Schwellspannung des Magnetrons bewirkt, dass lediglich dann, wenn die Versorgungsspannung größer als die Schwellspannung wird, kurze Stromimpulse auftreten. Um die Größe des Kondensators (ca. 10 cm) zu begrenzen, ist er so dimensioniert, dass er die sekundärseitige Streuinduktivität des Transformators (im Schaltbild nicht mit angegeben) 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, um ihn trocken zu halten.

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- und Auszeit wird dabei die mittlere Leistung gesteuert. Erste Mikrowellenherde können inzwischen aber auch schon ihre Leistung kontinuierlich steuern, der Hersteller Panasonic hat hierfür als erster Massenhersteller Geräte mit „Inverter-Technologie“ im Programm.

Das Strahlungsfeld der eingebauten Mikrowellenantenne füllt den Garraum des Herdes ungleichmäßig aus. Um eine gleichmäßige Erwärmung der Speisen zu erreichen, sollen ortsfeste Schwingungsmoden im Garraum verhindert werden, d.h. die Orte hoher Strahlungsleistung ständig variieren. Dafür werden rotierende, willkürlich geformte metallische Flügelräder (englisch stirrer = Rührer) im Inneren des Garraumes verwendet, meist an der Decke unter einer geeigneten Abdeckung, die die Schwingungsmoden des wie ein Hohlraumresonator wirkenden Garraumes ständig ändern. Um eine gleichmäßige Einwirkung zu erreichen, wird das Gargut zudem in vielen Geräten mittels eines Drehtellers auch noch mechanisch bewegt.

Die Tür ist in mehrfacher 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 durch eine Scheibe, vor der sich innen ein Lochblech befindet, Einblick in den Garraum. Die Öffnungen im Lochblech sind dabei sehr viel kleiner als die Wellenlänge der Mikrowellen von etwa 12 cm, so dass die Umgebung trotzdem von dem elektromagnetischen Feld im Garraum abgeschirmt bleibt. Der Türrahmen ist immer ein umlaufender Spalt, der sich nach hinten fortsetzt (Resonanzdichtung). Die Breite beträgt genau ein Viertel der Wellenlänge (ca. 3 cm). Nur dann wirkt der Spalt auch ohne elektrischen Kontakt als frequenzselektive Dichtung für die elektromagnetischen Felder im Ofen. Die Funktion beruht auf der geschickten Kombination von λ/4-Stücken wie bei der Verbindung von Hohlleitern.

Anwendungshinweise

Ein Mikrowellenherd sollte nie mit leerem Garraum eingeschaltet werden, da die Leistung des Magnetrons immer ausreichend absorbiert werden muss. Andernfalls könnte der Mikrowellenherd durch Reflexionen Schaden nehmen.

Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts verschiedener Speisen kann es trotz Stirrer (englisch für Rührer) und Drehteller zur inhomogenen Erwärmung kommen. So erwärmen sich Knochen im Vergleich zum Fleisch nur 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 oder nach kurzen Aufwärmphasen umzurühren.

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

Wasser-Effekte

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 voll saugen, wodurch es dann indirekt erwärmt wird. Das führt dazu, dass eine Suppenschale zu heiß zum Anfassen wird während die Suppe im Inneren nur an der Oberfläche (der Eindringtiefe entsprechend) erwärmt ist.

Es ist empfohlen, die Speisen in mehreren Intervallen mit Pausen zu erwärmen. Moderne Mikrowellenherde verfügen über eine sogenannte Auftaufunktion. Dabei 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.

Der Effekt des Überhitzens von Wasser (siehe Siedeverzug) 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 des nun geringeren Anteils gelöster Gase. Das überhitzte Wasser kann bei Bewegung (beispielsweise bei der Entnahme) plötzlich verdampfen und so wird ein Teil des Wassers explosionsartig zu Dampf und Wasser wird aus dem Gefäß geschleudert. Ein ins Gefäß gestellter Glasstab oder Löffel hilft die Siedeverzögerung zu vermeiden, da die Berührungsstelle am Boden als Keim für die Dampfblasenbildung wirkt.

Metall-Effekte

Wegen der hohen Sendeleistung des Magnetrons können in Metallteilen im Garraum Ströme von mehr als 20 A fließen. Dünne Metallschichten, beispielsweise Alufolie, metallische Verzierungen an Geschirr oder der Goldrand von Tellern, können sogar schmelzen. Dickere Gegenstände wie Besteck werden dagegen nur heiß. Die gelegentlich verbreitete Ansicht, Metall sei in der Mikrowelle tabu, ist dagegen falsch, der Mikrowellenherd selbst besteht aus Metall.

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

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 (Verbrennungen) führen. Insbesondere schwach durchblutetes Gewebe, das Wärme über den Blutkreislauf nicht schnell abführen kann, insbesondere 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 beispielsweise zur Röntgenstrahlung, zur nichtionisierenden Strahlung und erzeugen selbst weder molekulare noch chemische Strukturveränderungen. Eine mögliche Quelle von Schadstoffen können – wie auch bei anderen Garverfahren – lokale Verbrennungen an Speisen sein.

Bei einem intakten Mikrowellenherd tritt aufgrund der Abschirmung des Garraums nur eine vernachlässigbare Strahlungsleistung aus, von der keine Gefahr ausgeht^[4]. Mikrowellenherde sind auch im Fehlerfall durch Sicherung gut gegen Betrieb mit offener Tür geschützt. Geräte mit beschädigtem oder verbogenem Gehäuse oder Türen sollten nicht weiterverwendet werden, da somit auch außerhalb des Geräts verhältnismäßig starke hochfrequente elektromagnetische Felder auftreten können, die eine Verletzungsgefahr bergen.

Brandgefahr

Überhitzter Mikrowellenherd

Bestimmte Speisen und andere Stoffe können sich in einer Mikrowelle − wie auch bei anderen Verfahren der Speisezubereitung – so weit erhitzen, dass sie zu schwelen oder zu brennen beginnen. Entstehende Verkohlungen und auch Flammen absorbieren Mikrowellenstrahlung wiederum und verstärken den Effekt. 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 von der Umgebung isoliert, könnten jedoch gesundheitsschädliche Brandgase entwickeln, die durch den nach der Heizzeit meist noch nachlaufenden Ventilator auch nach außen geführt werden.

Auswirkung auf Nährstoffe

Die Ansicht, Mikrowellenherde würden den Nährstoffgehalt von Nahrungsmitteln durch Zerstörung von Vitaminen und sekundären Pflanzenstoffen stärker als gewöhnlich verringern, ist weitestgehend unbelegt. Generelle Aussagen sind allerdings schwierig, da die Werte für einzelne Nährstoffe in bestimmten Lebensmitteln sehr unterschiedlich sind und stets der Vergleich mit anderen Erhitzungsverfahren bedacht werden muss.

Eine größere Gefahr für die Nährstoffe stellt die Überhitzung von Nahrungsmitteln dar, viele Nährstoffe werden bei hohen Temperaturen zerstört. Das trifft ebenso auf die Zubereitung im Topf auf dem Herd zu, jedoch führt eine unbedachte oder ungeeignete Einstellung des Mikrowellenherdes sehr schnell zu dem unerwünschten Effekt. Insbesondere beim Garen von Speisen besteht eine erhöhte Gefahr der Überhitzung.

Sonstiges

Therapeutische Nutzung

Mikrowellen mit bis zu mehreren hundert Watt werden auch therapeutisch zur Gewebeerwärmung beim medizinischen Verfahren der Diathermie eingesetzt. Der Wärmeeintrag wird genau wie beim Mikrowellenherd über gepulstes An- und Abschalten gesteuert.

Trocknung

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 Magnetronen oder auch mit Klystronen erzeugt.

Mikroorganismen

Spül- und Putzlappen sind geeignete Lebensräume für Mikroorganismen. Eine Studie von 2007 ^[5] zeigte, dass sich Mikrowellenherde auch für die Sterilisation kontaminierter Schwämme oder Tücher eignen. Bereits zwei Minuten in einem solchen Ofen bei voller Leistung töten rund 99 Prozent aller Keime, sowohl Bakterien als auch Viren, 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 abgetötet.

Die Katzensage

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.

Chipabwehr

Nach der Einführung des ePasses 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.^[6]

Literatur

• Thorsten Oliver Kraemer: Wer hat eigentlich die Mikrowelle erfunden?. Große Erfindungen und ihre Erfinder. BOD Verlag, 2009, ISBN 3-8370-3777-0
• 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

Weblinks

 Commons: Mikrowellenherde – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Funktionsweise des Mikrowellenherdes aus physikalischer Sicht
• „Was sucht die Lampe in der Mikrowelle?“ Artikel aus de Hausgeräte 1/2005 – Antworten auf verschiedene Fragen zur Mikrowelle (auf www.archive.org abgerufen am 11. November 2009)
• Experimente in der ‚Mikrowelle‘
• Mikrowelle: Kein negativer Einfluss auf Lebensmittel

Einzelnachweise

1. ↑ Statistisches Bundesamt, Stichtag 1. Januar 2009. DeStatis und DSTATIS – Wirtschaftsrechnungen, Fachserie 15, Reihe 2, S. 12
2. ↑ Grundlagen der Mikrowellentechnik
3. ↑ Mehr Experimente mit der Haushaltsmikrowelle
4. ↑ Bundesamt für Strahlenschutz – Artikel zu HF-Feldern
5. ↑ Gabriel Bitton (University of Florida, Gainesville) et al.: Journal of Environmental Health, Bd. 69, S. 17 (Bericht in www.wissenschaft.de, 24. Januar 2007)
6. ↑ Hacken im Polizeistaat Die Zeit vom 2. Januar 2006