Autor: Ing.Theo Mulder
Verhaltnis Hohe- Luftdruck.
Eine begreifliche Frage für Jedermann, der das nicht weiß und sich wundert, dass es wirklich einen Niederländische Vakuum Verein gibt. Eine ganze Menge von Menschen, die jeden Tag mit Vakuum beschäftigt sind, um bestimmte Ergebnisse zu erreichen, die ohne Vakuum nicht erreicht werden können. Auch Sie, als Leser dieses Artikels, verwenden diese Ergebnisse immer, vielleicht ohne dass Sie sich dessen bewusst sind. Ist Ihnen klar, dass die vielen elektronischen Komponenten in Ihrem Computer und auch der Flachbildschirm, auf dem die Buchstaben erscheinen, mit Hilfe eines Vakuums entstanden sind?
Eigentlich leben wir auf dem Boden eines sehr tiefen Ozeans von Luft. Nun besteht unsere Luft aus verschiedenen Gasen, von denen Stickstoff (fast 80%) und Sauerstoff (ungefähr 20%) am wichtigsten sind. Am Boden dieses „Ozeans“ ist der Luftdruck eine Atmosphäre und daher höher als auf der Spitze eines Berges. Dort ist die Luft viel dünner, der atmosphärische Druck also niedriger. Je höher wir kommen, desto dünner wird die Luft und damit wird der Sauerstoffgehalt immer kleiner. Wir haben dann Schwierigkeiten beim Atmen. Besteiger hoher Berge nehmen oft Sauerstoffgeräte mit.
Diese „dünne“ Luft ist der Beginn des Vakuums. Sobald der Luftdruck unter eine Atmosphäre fällt, sprechen wir von Vakuum. Auf der Erde können wir das Vakuum auf relativ einfache Weise herstellen. In der Vakuumtechnik werden Pumpen eingesetzt, die die Luft aus sogenannten Vakuumkammern herauspumpen können. In diesem Vakuumraum können Prozesse ablaufen, die bei Atmosphärendruck völlig undenkbar sind.
Jetzt ist „leer“ ein dehnbarer Begriff. Die Anzahl der Luftmoleküle in ein cm3 ist so groß, dass die Technik nicht alle Moleküle aus einer Vakuumkammer entfernen kann. Zum Glück ist das auch nicht nötig. Es gibt genügend Prozesse, die bereits bei geringem Druck reibungslos ablaufen. Das Vakuum ist wie folgt klassifiziert:
Verhaltnis Druck-Luftmolekule im Vakuumkammer:
Ein zweiter wichtiger Aspekt ist der folgende: Moleküle bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und kollidieren ständig miteinander, so auch bei einem Druck von einer Atmosphäre. Da ist die Abstand zwischen zwei Kollisionen extrem klein. Wenn sich jedoch weniger Moleküle in einer Vakuumkammer befinden, wird die Strecke, die die Moleküle zwischen zwei Kollisionen zurücklegen können, größer. Bei einem Druck von 10-3 mbar beträgt dieser Abstand bereits 6,7 cm, bei einem Druck von 10-6 mbar ist dieser Abstand 1000 x so groß, also 67 Meter! Dies wird als die freie Weglänge bezeichnet und dieser Aspekt ermöglicht viele Prozesse.
Die Verhinderung von physikalischen oder chemischen Reaktionen:
Dank einer guten Vakuumpumpe konnte Edison 1879 eine Glühbirne herstellen. Durch Entfernen der Luft – und insbesondere des Sauerstoffs – aus dem Glaskolben brannte der Glühfaden nicht durch und so brannte die Lampe für längere Zeit. Auf der Basis dieser Erfindung verfügen wir heute über die verschiedensten Energiesparlampen, die viel Licht geben.
Aber auch Ihr vakuumverpackter Kaffee bleibt länger frisch, wenn die Luft (Sauerstoff) aus der Verpackung herausgepumpt wird. Und das gilt natürlich für alle vakuumverpackten Lebensmittel!
In der Technik werden mehr und mehr Metalle unter Vakuum gelötet, geschmolzen, gehärtet und gesintert; die Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltungen gehört ebenfalls dazu.
Erstellen einer Druckdifferenz:
Der Druckunterschied zwischen dem Vakuum und der uns umgebenden Luft gibt uns ungeahnte Kräfte. Mit Hilfe von Saugnäpfe heben wir Glasfenster oder Platten oder große Papierrollen an, ohne sie zu beschädigen. Das Aufspannen von Material auf Fräsmaschinen erfolgt ebenfalls mit Vakuum. Weiter geht das Filtrieren im Vakuum schneller, Bremsleitungen können schnell mit Bremsflüssigkeit gefüllt werden und alle Arten von Kunststoffbehältern können zu Verpackungszwecken geformt werden.
Reduzierung der Energieübertragung:
Ein gutes Beispiel ist die bekannte Thermoskanne für heißen Kaffee oder auch kalte Getränke. Da dies aus einer inneren und einer äußeren Flasche mit dazwischen befindlicher Vakuumisolierung besteht, bleibt der Kaffee länger warm. Dieses Prinzip gilt auch für Fernwärme: Heißwasser wird ohne nennenswerte Wärmeverluste durch eine kilometerlange „Thermoskanne“ in die Wohnungen transportiert. Flüssiggase mit sehr niedriger Temperatur werden in großen Metallthermosflaschen gelagert.
Die Entfernung von Gas aus einem Material:
Das sogenannte Imprägnieröl, das elektrische Bauteile besser isoliert, muss zuerst von Wasser und Luft befreit werden, die im Öl gelöst sind. Dies geschieht unter Vakuum. Die elektrischen Komponenten wie Transformatoren, Motoren, Kondensatoren, Hochspannungskabel usw. werden ebenfalls evakuiert, so dass die gesamte Luft austritt. Anschließend werden diese Komponenten unter Vakuum in das entgaste Imprägnieröl eingetaucht und dann bis eine Atmosphäre belüftet. Das Öl wird jetzt überall dort hinkommen, wo früher Luft war, so dass die Isolierung viele Male verbessert wird.
Außerdem werden flüssige Metalle wie Stahl und Aluminium im Vakuum entgast, so dass beim Giessen keine Hohlräume entstehen und ein wesentlich homogeneres Material entsteht. Vakuum gefriergetrocknete Produkte wie Medikamente und Lebensmittel bleiben viel länger haltbar. Ohne Vakuum gibt es keine guten Kühlsysteme, Klimaanlagen oder Tiefkühltrühen.
Erhöhung der freien Weglänge der Moleküle:
Die Anzahl der Anwendungen durch Erhöhung der freien Weglänge ist sehr groß. Wissenschaftlich werden sie in Massenspektrometern, Elektronenmikroskopen und Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Ein viel größeres Anwendungsgebiet ist das Aufdampfen. Ihre Brille hat entspiegelte Gläser, sowie auch ihre Kamera und ihr Fernglas. Dank der Vakuumtechnik können mehrere dünne Schichten auf diese Oberflächen aufgebracht werden, was die Qualität der Linse erheblich verbessert. So werden spezielle Spiegel und auch Folien aufgedampft, schauen Sie sich nur ihre Kaffeeverpackungen oder die Heizdecken für Verkehrsopfer an!
Mit der so genannten Sputtermethode werden ebenfalls dünne Schichten aufgebracht, jedoch können diese sehr hart sein, so dass Bohrer, Fräsköpfe, Matrizen sowie Brillengestell und Kugelschreiber nicht nur einen schönen goldenen Glanz haben, sondern auch kratzfest und verschleißfest sind. Und mit der Sputtermethode werden die schönen Glaswände moderner Gebäude mit einer transparenten dünnen Schicht und mit einer schönen Farbe versehen, die auch die Wärme reflektiert.
Ein weiteres Beispiel ist die CD-Disc, jede CD wird in 1,5 Sekunden mit einer reflektierenden Schicht im Vakuum versehen, so dass Sie qualitativ hochwertige Musik genießen können.
Saubere Bedingungen schaffen:
Bei der wissenschaftlichen Erforschung von Oberflächen kann das Ultrahochvakuum nicht mehr ignoriert werden. Ob es sich um die Erforschung von Katalysatoren, Korrosion oder Halbleitern handelt, ohne Ultrahochvakuum hätten wir nicht die nötigen Kenntnisse, um deren Natur zu verstehen. Aber auch die Herstellung der kompliziertesten integrierten Schaltungen für Computer oder Handys erfordert einen sauberen Vakuumraum, gleich wie die Erprobung der Satelliten für die Raumfahrt.
Reibungswiderstand reduzieren:
Nicht umsonst fliegen die Flugzeuge in so große Höhe! Bei einer Höhe von 10 km beträgt der Luftdruck nur noch 260 mbar und da erfährt das Flugzeug viel weniger Luftwiderstand als auf Meereshöhe. Auf der Erde drehen Ultrazentrifugen unter Vakuum, Bodenproben werden in einer Zentrifuge untersucht, die im Vakuum läuft. Für die Energiespeicherung drehen sich Gyroskope und Schwungräder in Vakuum und es wird darüber nachgedacht, den Güterverkehr mit hoher Geschwindigkeit über weite Strecken in einem Vakuumtunnel stattfinden zu lassen. ( Das Hyperloop Project )
Das Obenstehende ist nur eine kleine Auswahl der vielen, vielen Anwendungen von Vakuum. Ohne Vakuum säßen wir am Tisch mit einer Kerze und übertrügen wir Nachrichten durch einen menschlichen Boten. Jetzt nehmen wir unser Handy und sprechen direkt mit dem anderen Ende der Welt oder senden eine E-Mail mit unserem Computer. Dank der Vakuumtechnologie ist das alles möglich!
Herzlichem Dank an:
herrn ing. Theo Mulder, Ehrenmitglied der Niederländischen Vakuumgesellschaft NEVAC.
Co-Autor: Book Vacuum Science and Technology -2016