Vakuum

mini|hochkant=1.1| Otto von Guericke demonstrierte 1657 die Wirkung von Vakuum mit seinen Magdeburger Halbkugeln mini|hochkant=1.1|Der äußere Luftdruck presst die Magdeburger Halbkugeln zusammen a) Halbkugeln mit Luft gefüllt b) luftleere Halbkugeln 1. Griff 2. luftdichte Abdichtung 3. Magdeburger Halbkugel 4. Luftdruck 5. (weitgehend) Vakuum mini|hochkant=1.1|Glasglocke mit Kolben-Vakuumpumpe für Schulversuche

Vakuum ist in der technischen Praxis ein Raum mit weitgehender Abwesenheit von Materie. Im Vakuum gibt es keine festen Objekte oder Flüssigkeiten, nur extrem wenig Gas und damit auch einen extrem niedrigen Gasdruck. Ein technisches Vakuum wird erzeugt, indem man mit einer Pumpe (Gas-)Moleküle aus einem Behälter entfernt; der Druck darin sinkt (Gasdruck entsteht durch Stöße der Gasmoleküle gegen die Behälterwand). Das Pumpen erzeugt einen Unterdruck, also einen Druck, der geringer ist als der Umgebungsdruck. Sinkt der Druck im Behälter unter 300 mbar und entfernt man nach und nach Moleküle aus dem Raum, so erhält man der Reihe nach Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum und zuletzt Ultrahochvakuum. Das Herstellen eines Vakuums heißt auch „evakuieren“, das Abbauen wird „brechen“ genannt.

Das technische Vakuum, wie es Anfang des 20. Jahrhunderts hergestellt werden konnte, war die Voraussetzung der Einführung von Glühlampen und Elektronenröhren. Seitdem hat sich ein weites Feld von Vakuumtechnologien entwickelt.

In der Physik bezeichnet Vakuum außerdem auch ein theoretisches Konzept, nämlich die vollständige Abwesenheit von Materie in einem Raumgebiet.

Möglichkeit von Vakuum Im bekannten Universum gibt es kein vollständiges Vakuum, und es ist mit bekannten technischen Mitteln auch nicht erzeugbar. Der Weltraum zum Beispiel ist mit Wasserstoffgas geringer, variabler Dichte erfüllt (interplanetares, interstellares, intergalaktisches, Intracluster-Medium).

Die Frage nach der theoretischen Möglichkeit eines leeren Raumes haben im Abendland zuerst die griechischen Philosophen vor Sokrates – die Vorsokratiker – gestellt. Ihr Ausgangspunkt war nicht die naturwissenschaftliche Frage nach dem leeren Raum, sondern die allgemeinere philosophische nach dem Nichts – ob es gedacht werden kann. Vor demselben philosophischen Hintergrund haben sich dann Empedokles (um 433 v. Chr.) und Leukipp (um 450 bis etwa 420 v. Chr.) sowie Demokrit (um 460 bis etwa 370 v. Chr.) der Frage nach dem leeren Raum zugewandt.

Die Frage nach der Möglichkeit eines absolut leeren Raums ist bis heute in der Physik ungelöst. Nach der Quantenfeldtheorie werden überall ständig virtuelle Teilchen erzeugt und wieder vernichtet. Unter Vakuum wird zudem im Allgemeinen nur die Abwesenheit von Materie verstanden. Elektromagnetische Strahlung und andere physikalische Felder könnten in dem betrachteten Raum vorhanden sein.

Begriffsklärungen

In der Umgangssprache wird das Wort Vakuum für einen weitgehend luftleeren Raum genutzt. Bei der Vakuumverpackung („Vakuumierung“) wird jedoch im Allgemeinen nicht einmal ein Grobvakuum erreicht. Technik und Experimentalphysik verwenden den Ausdruck ebenfalls in diesem Sinne: Vakuum bezeichnet den Zustand eines Gases in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen. 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. Leitet man jedoch aus der Planckschen Strahlungsformel die Nullpunktsenergie her, dann folgt aufgrund der Energie-Zeit-Unschärferelation, dass im Vakuum ständig virtuelle Teilchen erzeugt und wieder vernichtet werden. Diese werden auch Vakuumfluktuationen genannt.

Anders als die Naturwissenschaften sieht die Philosophie Vakuum als grundsätzlich vollkommen leeren Raum an.

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 besagt, dass die Materie aus unteilbaren kleinsten Teilchen (Plural: ) 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 sowohl von Platon, der die Existenz von „Nicht-Seiendem“ bestritt, als auch von Aristoteles abgelehnt, da eine Bewegung ohne treibendes Medium als unmöglich erschien. Auch den Raum zwischen den Gestirnen dachte man sich von einem Äther erfüllt. Aristoteles postulierte eine Abneigung der Natur gegen das Leere, die später mit dem lateinischen Ausdruck horror vacui bezeichnet wurde. Im Mittelalter und der frühen Renaissance galt Aristoteles als Autorität. René Descartes war von der Unmöglichkeit eines Vakuums überzeugt, da er aufgrund rationalistischer Überlegungen zu der Ansicht gelangte, Raum und Materie seien wesensmäßig gleich.

Die Idee vom Vakuum konnte sich erst durch Demonstrationen durchsetzen. Wohl der erste Philosoph, der die Realexistenz des Vakuums unter widernatürlichen Umständen und technisch erzeugbar annahm, war um 1600 Clemens Timpler. 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 im November 1647 erstmals beweisen, dass ein Vakuum tatsächlich existieren kann. Populär wurde das Vakuum durch Otto von Guericke, den Erfinder der Luftpumpe. Er ließ im Jahre 1657 in Magdeburg 16 Pferde an zwei Metallhalbkugeln (siehe Magdeburger Halbkugeln) spannen, aus denen vorher die Luft gepumpt worden war. Der beobachtete Effekt ist allerdings keine direkte Eigenschaft des Vakuums, sondern des Unterdrucks, der durch den Druck der umgebenden Luft bedingt wird.

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 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 Alphastrahlung eine Goldfolie ohne Widerstand durchqueren kann. 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. Diese Sichtweise ist aber, wie das Bohr’sche Atommodell generell, längst überholt, denn die Stellen, an denen man im Atom mit gewisser Wahrscheinlichkeit ein Elektron antreffen kann, füllen der Quantenmechanik zufolge zu jedem Zeitpunkt das ganze Atom aus.

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 bei spontaner Emission bemerkbar macht.

Weitere Persönlichkeiten, die mit der Vakuumtechnik in Verbindung gebracht werden und signifikante Beiträge geleistet haben, sind Wolfgang Gaede, Marcello Pirani und Rudolf Jaeckel.

Eigenschaften

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. Im Juli 2019 wurden mit der ISO 3529-1:2019 die Vakuumbereiche wie folgt eingeteilt:ISO 3529-1:2019(en) Vacuum technology — Vocabulary — Part 1: General terms, ISO

+ Einordnung anhand der Druckbereiche Druckbereich Druck Moleküldichte mittlere freie Weglänge Normaldruck 101,325 kPa 1013,25 mbar 2,7 · 1019 cm−3 68 nm Grobvakuum …100 Pa …1 mbar …1016 cm−3 0,1…100 μm Feinvakuum 1…10−3 mbar 0,1…100 mm Hochvakuum (HV) 100 mPa…1 μPa 10−3…10−8 mbar 1013…108 cm−3 Ultrahoch­vakuum (UHV) 1 μPa…1 nPa 108…105 cm−3 10…104 km extrem hohes Vakuum (XHV) < 1 nPa < 10−11 mbar < 105 cm−3 > 104 km Ideales Vakuum (IV) 0 Pa 0 mbar 0 cm−3 ∞

Beim Auspumpen eines Gefäßes baut sich bis zum Feinvakuum 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, was für viele Experimente ausreichend ist. 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:

Grobvakuum: alte Glühlampen, Dampfturbinenkondensator (≈ 0,03 bar), Ansaugtrakt eines Ottomotors im Leerlauf (ca. 0,2…0,3 bar), Vakuumverpackung (meist nicht unter 600 mbar) Feinvakuum: Niederdruck-Gasentladungslampen, moderne Präzisionspendeluhren Hochvakuum: Elektronenröhren, Teilchenbeschleuniger, Elektronenmikroskope Ultrahochvakuum: Gravitationswellendetektor, Teilchenbeschleuniger, erdnaher Weltraum, häufig in Anlagen der Halbleiterindustrie extrem hohes Vakuum: Weltraum, kryogene Vakuumkammern (z. B. bei BASE)

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

Physikalische Eigenschaften

Licht, Teilchen, elektrische, magnetische und Gravitationsfelder breiten sich im Vakuum aus; dagegen benötigen Schallwellen ein materielles Medium und können sich daher im idealen Vakuum nicht ausbreiten. Wärmestrahlung kann sich als elektromagnetische Welle auch im Vakuum fortpflanzen. Dagegen führt die Absenkung des Drucks zur Verminderung der materiegebundenen Wärmeübertragung durch Konvektion und, sobald die mittlere freie Weglänge größer wird als der Gefäßdurchmesser, auch der konduktiven Wärmeleitung.

Die Verringerung von Wärmeströmung durch ein Vakuum findet Anwendung zur Wärmeisolation (Isolierkannen, Dewar-Gefäße, Vakuumdämmplatte).

Die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit des Hochvakuums wird bei Vakuum-Leistungsschaltern, in Vakuumkondensatoren der Hochleistungselektronik und im Hochspannungsteil evakuierter Röntgenröhren ausgenutzt. Bei Verringerung des Drucks sinkt die Durchschlagsfestigkeit zunächst durch das Entstehen eines Niederdruckplasmas erheblich ab. Erst wenn die freie Weglänge der beim Durchschlag entstehenden Ionen größer als der Elektrodenabstand wird, steigt die Durchschlagfestigkeit wieder steil an und wird erst dann wieder durch die Feldemission begrenzt. Abschätzen lässt sich das mit dem Paschen-Gesetz.

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.