Vakuumtechnik – Wie funktioniert sie und wo wird sie angewandt?

Unter der Vakuumtechnik versteht man das Entfernen von (Gas-)Molekülen aus dem Behälter mithilfe einer Pumpe. Der Druck darin fällt ab (Gasdruck entsteht durch die Kollision von Gasmolekülen gegen die Wände des Behälters). Beim Pumpen entsteht ein Unterdruck, also ein Druck, der niedriger als der Umgebungsdruck ist. Wenn der Druck im Inneren des Gefäßes unter 300 mbar fällt und die Moleküle allmählich aus dem Raum entfernt werden, entstehen Vakua in folgender Reihenfolge: Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum und schließlich ein Ultrahochvakuum.

Zusammenfassung

• 🌀 Vakuumtechnik entfernt Gasmoleküle mit einer Pumpe aus Behältern.
• 📉 Beim Pumpen entsteht Unterdruck unter dem Umgebungsdruck.
• 🪜 Vakua reichen vom Grobvakuum bis zum Ultrahochvakuum.
• 🚫 Ein vollständiges Vakuum lässt sich technisch nicht erzeugen.
• ❄️ Ab minus 160 Grad spricht man von Kryotechnik.

Erzeugung eines Vakuums

Es gibt kein vollständiges Vakuum im Universum und es kann nicht mit bekannten technischen Mitteln erzeugt werden. Beispielsweise ist das Universum mit Wasserstoffgas mit geringer Dichte gefüllt. Darüber hinaus versteht man allgemein, dass Vakuum nur bedeutet, dass keine Substanz vorhanden ist. Im betrachteten Raum können elektromagnetische Strahlung vorhanden sein.

Auf der Erde kann mit einer geeigneten Vakuumpumpe die geschlossenen Hohlräume, die die Empfänger des darin enthaltenen Gases sind, freigesetzt werden. Beispielsweise mit einer Wasserstrahlpumpe. Es erzeugt ein Vakuum, welches dem Druck des Wasserdampfes bei typischen Wassertemperaturen entspricht.

Erreicht die Temperatur hingegen -160 Grad, spricht man von der Kryotechnik. Kryogen kommt von dem griechischen Wort „krios“  und bedeutet „kalt“. Bei der Kryotechnik werden einige Stoffe zum Beispiel von einem Gas zu einer Flüssigkeit oder werden fest.

Von Kryotechnik kann erst gesprochen werden, wenn die Temperatur 160 °C oder weniger erreicht. Das ist die Temperatur, bei der ein Gas flüssig wird, sodass bei der Umwandlung von Wasser zu Eis nicht von der Kryotechnik gesprochen werden kann.

Druckbereiche

Der Druckbereich zwischen Atmosphärendruck und etwa 300 mbar wird oft eher als Unterdruck denn als Grobvakuum bezeichnet. Auch der Begriff „Maximalvakuum“, der den Druck unter dem Hochvakuum bezeichnet, ist obsolet. Beim Auspumpen des Behälters baut sich die Belastung durch den Außenluftdruck auf und erzeugt ein feines Vakuum. Die Vakuumgrenze kann leicht mit einer Pumpe erreicht werden. Im Mikrovakuumbereich geht die viskose Strömung über die Knudsen-Strömung in die Molekularströmung über, da die freie Weglänge die mittleren Abmessungen des Vakuumgefäßes erreicht.

In einem weiten Bereich von Hochvakuum erhöht sich die Zeit, die jeder Punkt auf der Oberfläche auf den Rückstand trifft, im Durchschnitt von 1 Stunde auf 1 Jahr.

Im UHV-Bereich beginnt der Dampfdruck von Baustoffen zu stören. B. Entfernung von Bleiverunreinigungen in Aluminium. Das ideale Vakuum kann technisch nicht erreicht oder gemessen werden.

Vorgehen

In der Physik und Oberflächenchemie werden üblicherweise verschiedene Arten von Pumpen verwendet, um Hoch- oder Ultrahochvakuum zu erzeugen. Zunächst wird durch eine oder mehrere mechanisch betätigte Pumpen (Drehschieberpumpen, Membranpumpen, Scrollpumpen etc.) im Hohlraum ein Unterdruck erzeugt. Zwischen diese Vorpumpe und den Hohlraum schalten Sie dann über ein Ventil eine Turbomolekularpumpe ein. Dies ermöglicht einen Prozess, der bis zu etwa 10-7 mbar (10 uPa) Stunden dauert. Stoffe mit tieferem Dampfdruck, wie zB an der Oberfläche adsorbiertes Wasser, desorbieren ständig, sodass es nicht möglich ist, diesen Druck durch einfaches Weiterpumpen abzubauen.

Die Desorption wird durch Erhitzen über dem Siedepunkt von Wasser beschleunigt, aber wenn möglich durch direktes Erhitzen der Kammerwand und indirektes thermisches Erhitzen der inneren Oberfläche deutlich höher. Der größte Teil des adsorbierten Wassers wird während des Aufheizens von einer Turbomolekularpumpe abgepumpt, ähnlich wie bei einer Kohlenwasserstoffverunreinigung. Dies dauert in der Regel mehr als 24 Stunden. In Kammern mit komplizierten Innenflächen aufgrund des Einbaus von Geräten wird die Heizung oft erst nach einigen Tagen abgeschaltet.

Vakuumtechnik im privaten Gebrauch

Ein weiteres Einsatzgebiet sind Lebensmittelverpackungen unter Vakuum (Vakuumverpackung) und andere verderbliche Waren. Verderbliche Produkte sind in einem luftdichten Kunststoffgehäuse eingeschlossen. Durch den geringen Restsauerstoffgehalt der Luft laufen Alterungs- und Abbauprozesse nur sehr eingeschränkt ab, was die Lebensdauer des Produktes verlängert. Zu Hause können Lebensmittel in eingetütet und mit der Vakuumtechnik evakuiert werden, es gilt also für Produkte, bei denen die Folie in der Tüte verpackt ist. Dadurch kommt weniger Sauerstoff an die Nahrung. Außerdem wird die Lautstärke reduziert.

Fazit

Die Vakuumtechnik ist ein nützliches Verfahren in verschiedensten Bereichen. Ihr haben wir vieles zu verdanken, beispielsweise die Einführung der Glühlampen und Elektronenröhren.

Credits: Bild von Michal Jarmoluk auf Pixabay

Häufig gestellte Fragen

Was versteht man unter Vakuumtechnik?

Unter Vakuumtechnik versteht man das Entfernen von Gasmolekuelen aus einem Behaelter mithilfe einer Pumpe. Dabei faellt der Druck ab und es entsteht ein Unterdruck, also ein Druck, der niedriger als der Umgebungsdruck ist.

Welche Vakuumstufen gibt es?

Wenn der Druck im Gefaess unter 300 mbar faellt und die Molekuele entfernt werden, entstehen laut dem Text in dieser Reihenfolge Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum und schliesslich Ultrahochvakuum.

Was ist Kryotechnik?

Von Kryotechnik spricht man, wenn die Temperatur sehr niedrige Werte erreicht. Das Wort Kryogen kommt vom griechischen krios und bedeutet kalt; dabei werden Stoffe etwa von einem Gas zu einer Fluessigkeit oder fest.