Vakuum

Das Wort Vakuum [ˈvaːkuʊm] (von lateinisch vacuus‚ leer) bedeutet ‚(weitgehend) leerer Raum‘, also die Abwesenheit von Materie. Ist der verbleibende Gasdruck nur deutlich geringer als der atmosphärische Druck, spricht man korrekterweise nicht von einem Vakuum, sondern von vermindertem oder reduziertem Druck, oder einem Unterdruck.

Begriffsklärung

In der Technik und Physik verwenden den Ausdruck in dem Sinne: Vakuum bezeichnet den Zustand eines Gases in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck [vergl.: Normatmosphäre] bei Normbedingungen. Je nach dem herrschenden Restdruck spricht man von Grobvakuum, Feinvakuum, Hoch- oder Ultrahochvakuum.

In der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum der Zustand mit der tiefstmöglichen Energie. Darin haben die Teilchenzahlen für alle Arten von Teilchen (Feldquanten) den Wert null. Dennoch erscheint dieses Vakuum aufgrund der Möglichkeit, dass ständig virtuelle Teilchen angeregt und wieder vernichtet werden, als ein dynamisches Medium mit chaotischen Vakuumfluktuationen und vielfältigen anderen Eigenschaften (Quantenvakuum).

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 von Aristoteles und seiner Akademie abgelehnt, da eine Bewegung ohne treibendes Medium als unmöglich erschien. Man dachte sich daher den Raum zwischen den Gestirnen von einem Äther erfüllt. Es wurde eine Abneigung der Natur gegen das Leere postuliert. Diese Abneigung wurde später mit dem lateinischen Ausdruck horror vacui bezeichnet. 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 1644 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 , aus denen er vorher die Luft herausgesaugt hatte. Der beobachtete Effekt ist allerdings keine direkte 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. Mit dem Michelson-Morley-Experiment wurde vergeblich versucht, die Existenz eines solchen Äthers nachzuweisen. Durch die allgemeine Akzeptanz der speziellen Relativitätstheorie 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 (Atomorbitale) ausgefüllt.

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.

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	0,1…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), Ansaugtrakt eines Ottomotors im Leerlauf (ca. 0,2…0,3 bar)
• Feinvakuum: Niederdruck-Gasentladungslampen, moderne Präzisionspendeluhren
• Hochvakuum: Elektronenröhren, Teilchenbeschleuniger, Elektronenmikroskope
• 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) (Gitterschwingungen; Phononen) findet Anwendung in Isolierkannen, Dewar-Gefäßen und zur Wärmeisolation von Tanks für Flüssiggas.

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 gesunde Mensch dem Vakuum widerstehen. Entgegen der üblichen Annahme beginnt das Blut trotz des Druckunterschieds nicht sofort zu sieden. Haut und Gewebe sind normalerweise in der Lage, dem Dampfdruck der Körperflüssigkeiten bis zu 0,05 bar (normaler Luftdruck ist 1 bar) zu widerstehen. Unabhängig davon kann verminderter Druck zur Dekompressionskrankheit oder Höhenkrankheit führen.

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 (oder mbar) bei 20 °C).

Hochvakuum

In der angewandten Physik und Oberflächenchemie werden mehrere Pumpentypen eingesetzt, um ein Hoch- oder Ultrahochvakuum zu erzeugen. Zunächst wird mit einer oder mehreren 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 beispielsweise einige Minuten. Danach wird mittels Ventilen zwischen diese Vorpumpe(n) und den Rezipienten eine Turbomolekularpumpe (oder bei geringeren Ansprüchen die billigere Öldiffusionspumpe) eingefügt, die in einem bis zu mehreren Stunden dauernden Prozess ein Hochvakuum von ungefähr 10⁻⁷ mbar erzeugt. Dieser Druck lässt sich nicht mehr ohne weitere Hilfsmittel verringern, da an Flächen adsorbiertes Wasser und andere Stoffe mit niedrigem Dampfdruck ständig desorbiert werden.

Die Desorption wird beschleunigt, indem 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. Dabei muss die Temperaturbeständigkeit der eingebauten Komponenten, wie Durchführungen für elektrische Verbindungen und Sichtfenster, beachtet werden. Temperaturen für dieses Ausheizen liegen typisch zwischen 130 °C und über 200 °C. Da Vakuumapparaturen auch bei dieser Temperatur dem außen vorhandenen Luftsauerstoff widerstehen müssen, sind sie oft aus nichtrostendem Stahl oder Glas, mit Dichtungen aus Aluminium oder PTFE.

Das desorbierte Wasser wird während des Ausheizens durch die Turbomolekularpumpen größtenteils abgepumpt, ebenso wie eventuelle Kohlenwasserstoff-Kontaminationen. Dies dauert typisch 24 Stunden oder länger; bei Kammern mit komplex angeordneten inneren Oberflächen durch angebaute Apparaturen wird oft erst nach zwei bis drei Tagen die Heizung heruntergefahren.

Ultrahochvakuum

Zum Erreichen des Ultrahochvakuums werden nichtmechanische Pumpen verwendet. Eine Ionengetterpumpe pumpt durch Ionisation und Einfangen der Restgasmoleküle in Titanröhrchen in einem Druckbereich von 10⁻¹⁰ bis 10⁻⁷ mbar. Die Pumpleistung reicht hier nur dann aus, wenn das Ausheizen vorher den Restgasdruck genügend vermindert hat. Eine Titansublimationspumpe arbeitet mit 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 der Restgasdruck weiter vermindert. Der mit diesem oben beschriebenen Verfahren erreichbare Restgasdruck liegt im Bereich von 10⁻¹¹ mbar.

Durch Kühlfallen am unteren Teil der Kammer kann weiteres Restgas temporär gebunden 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.

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 ein Karamellisieren zu verhindern.

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; erst später wurden Glühlampen mit einer Füllung aus Stickstoff oder anderem Gas, das die Verbrennung nicht unterstützt, hergestellt. Das Hochvakuum in Elektronenröhren, 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.

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

Vakuum zur Konservierung und zum Vakuumgaren

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln 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 Luftsauerstoffs länger haltbar, indem Stoffwechsel- und Oxidationsprozesse verlangsamt werden.

Beim Vakuumgaren werden die vakuumverpackten Nahrungsmittel (Fleisch, Gemüse, usw.) entweder im Wasserbad oder in temperaturgeregeltem Dampf bei Temperaturen unter 100 Grad gegart und behalten so Struktur und Aroma besser als bei den üblichen Garverfahren.

Im Haushalt können Lebensmittel in 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 als Wärmeisolator

Die geringe Wärmeübertragung im Vakuum wird bei Isolierkannen und Dewargefäßen ausgenutzt, ebenso bei Vakuumröhrenkollektoren und selten auch bei Mehrscheiben-Isolierglas.

Vakuum des Weltraums

Das im interstellaren oder 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 (Plenismus).

Umgebungsparameter erdnaher Weltraum

	Druck in mbar	Teilchen pro m3	mittlere freie Weglänge in km
Interplanetarer Raum	< 10−18	< 104	1011
Geosynchrone Umlaufbahn (GEO)	10−17	10 5	> 1010
äußerer Van-Allen-Gürtel	10−13…10−9	109…1013	106
Satellitenorbit (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.

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 08.04. 2021