Vakuum Versuche

Die um uns herum allgegenwärtige Luft ist für uns so selbstverständlich, dass wir sie erst bemerken, wenn sie irgendwo fehlt. Abgesehen davon, dass wir sie zum Atmen benötigen, hat sie noch einen anderen Effekt. Ihr Gewicht drückt mit einer Kraft von ca. 1kg pro Quadratzentimeter von allen Seiten auf einen Körper in Meereshöhe. Bei größeren Flächen können so schon extreme Kräfte auftreten. Wir bemerken es in der Regel aber nicht, da sich der Druck von allen Seiten zu Null addiert.

Druckumrechnung
Um die unterschiedlichen Druckangaben leichter umrechnen zu können, folgt hier eine kurze Tabelle zur Umrechnung von Bar in Pascal bzw. Torr. Bar und Pascal sind über den Faktor 10^5 miteinander verknüpft. Torr leitet sich von der Steighöhe des Quecksilbers in einem Vakuumrohr auf Meeresniveau ab. Das sind dann 760mm oder eben 760Torr.
 
bar ~ kg/cm²
Pa = N/m²
Torr
1 bar 100000 Pa = 1000 hPa = 100 kPa 750,06 Torr
0,01 mbar 1 Pa 0,0075 Torr = 7,5 mTorr
1,3332 mbar 133,32 Pa = 1,3332 hPa 1 Torr
1013,25 mbar = 1,01325 bar 101325 Pa = 1013,25 hPa 760 Torr

Vakuumglocke Um Versuche mit Vakuum durchführen zu können, benötigt man eine so genannte Vakuumglocke. Das ist ein durchsichtiges Kunststoffgefäß (aus Polyetherimid [PEI]), dass über eine Dichtung auf die Grundplatte aufgesetzt wird. Durch den Luftdruck wird die Glocke dann von selbst auf die Dichtung gepresst, wenn man aus dem Inneren Luft absaugt.

Achtung !
Eine beschädigte oder unsachgemäß behandelte Vakuumglocke kann implodieren ! Auch wenn man meinen würde, dass sowieso alle Splitter nur nach innen fliegen, sollte man bedenken, dass wenn sie sich in der Mitte treffen, mit der gleichen Geschwindigkeit zurückgeschleudert werden.
Man sollte sich deshalb nur auf professionelle Vakuumglocken verlassen, und keinen Selbstbau versuchen. Siehe dazu Bezugsquellenliste. Besonders Plexiglas, das man gerne verwenden würde ist ungeeignet, da es sehr hart und spröde ist. Es kann unter Belastung schon bei dem kleinsten Kratzer brechen.

Membranpumpe

Membran-Vakuumpumpe = Membranpumpe
Zum Absaugen der Luft benötigt man eine Pumpe. Man kann es wie hier mit einer Membranpumpe versuchen, indem man sie zweistufig hintereinander schaltet. Die Auslassseite der Endstufe ist mit der Saugseite der Vorstufe verbunden. So erreicht man ein etwas besseres Vakuum. Es kommt aber keinesfalls an das einer Kolben- bzw. Drehschieberpumpe heran !
Diese Pumpe erreicht ca. 160 mbar. Bei den Versuchen, wird später noch beschrieben, wie man das Vakuum leicht ohne Vakuummeter abschätzen kann.

Drehschieberpumpe
Drehschieberpumpe = Drehschieberpumpe
Das ist eine zweistufige, ölgedichtete Drehschieberpumpe. Sie erzeugt ein sehr hohes Vakuum von 1,5*10^-3 mbar und hat eine Saugleistung von 1,5m³/h bei Normaldruck. Diese Pumpen erreichen unter den mechanischen Pumpen das höchste Vakuum und sind dementsprechend teuer. Weiters ist auch ein aufwendiges Zubehör, die so genannten Kleinflansche, nötig. Im Bild sind solche auf der Saugseite der Pumpe zu sehen. Auf einem T-Stück ist auf der rechten Seite der Entlüftungshahn zu sehen und auf der linken Seite der Schlauchanschluss. Nur mit diesen Bauteilen kann die Dichtheit erreicht werden, die für dieses Vakuum notwendig ist. Diese Pumpen erzeugen am Auslass einen starken Ölnebel. Ein Ölnebelfilter ist ebenfalls zu empfehlen. Für Vakuumpumpen und Zubehör siehe Bezugsquellenliste. Für die Versuche mit der Geißlerröhre braucht man ein sehr gutes Vakuum, das nur mit dieser Pumpe zu erreichen ist.

Turbomolekularpumpe

Turbomolekularpumpe Für den Betrieb von Fernseh-, Elektronen- oder Röntgenröhren wird ein extrem hohes Vakuum benötigt. Für dessen Erzeugung braucht man eine Hochvakuumpumpe, wie z.B. die Turbomolekularpumpe oder auch nur Turbopumpe genannt. Turbopumpen erreichen ein sehr hohes Vakuum von bis zu 10^-10 mbar.

Turbomolekularpumpe Das Prinzip einer Molekularpumpe ist bereits sehr lange bekannt, konnte aber erst in jüngster Zeit durch die Turbopumpe technisch verwirklicht werden. Sie verdankt ihren Namen dem extrem schnell laufenden Rotor. In dieser Pumpe beträgt die Rotordrehzahl 60.000U/min (synchrone Drehzahl), die nur nach mehreren Minuten Hochlauf und nur in einem Vorvakuum von mindestens 0,1 mbar überhaupt erst möglich wird. Wie der Name schon sagt, arbeitet die Pumpe auf molekularer Ebene. Der Rotor sieht zwar aus wie eine Turbine, hat aber eine etwas andere Funktion. Für den Betrieb ist es maßgeblich, dass die freie Wegstrecke, die ein Molekül bis zu einem Zusammenstoß mit einem anderen zurücklegen kann, größer ist, als der Abstand zwischen Rotor zu Stator. Wenn das durch ein ausreichend hohes Vorvakuum gewährleistet ist, dann erteilt der Rotor jedem auf ihm auftreffenden Molekül einen zusätzlichen Impuls in Drehrichtung. Da das Molekül danach keine Möglichkeit hat, diesen an andere Moleküle weiterzugeben, bildet sich so aus der normalerweise ungerichteten Wärmebewegung eine gerichtete Molekülbewegung zur Vorpumpe hin aus, welche die Moleküle dann absaugt. Damit dieser Effekt maßgeblich die Bewegung der Moleküle beeinflussen kann, ist es nötig, dass die Rotorgeschwindigkeit im Bereich der mittleren Molekülgeschwindigkeit liegt.  Bei 20°C liegt die mittlere Geschwindigkeit der Luftmoleküle bei etwa 500m/s. Für den Rotor der Pumpe mit 10cm Durchmesser ergibt sich eine Tangentialgeschwindigkeit von 314m/s.

MPEG-Video 475kB Das Video zeigt einen kurzen Ausschnitt aus dem Hochlauf der Turbopumpe. Da sie für die Aufnahme natürlich geöffnet werden musste, erreicht sie unter normalen Luftdruck nicht die Nenndrehzahl. Der Asynchronmotor in der Pumpe wird über einen Frequenzumrichter gespeist. Zu Beginn hört man, wie dieser die Frequenz herunterfährt, um den Rotor zu fangen, falls dieser schon läuft. Die Frequenz der 3-phasigen Drehspannung bei Nenndrehzahl beträgt 1kHz.

Die Umkehrung der Turbopumpe

Mikhail P. Beshok aus Russland hat in einem Artikel im New Energy Technologies Magazine, Issue #4(13) July-August 2003 auf einen sehr interessanten Effekt hingewiesen. Wie auch die Turbomolekularpumpe die freie Wegstrecke zwischen den Molekülen ausnützt, um die normalerweise völlig chaotisch fliegenden Moleküle in eine gerichtete Strömung umzuleiten, so kann dieser Effekt auch umgekehrt werden.
Durch Strukturierung der Oberfläche eines Rotors mit Abmessungen unterhalb der freien Wegstrecke, entsteht aus der ungerichteten Wärmebewegung der Moleküle eine gerichtete Kraft auf den Rotor. Die Struktur muss so angelegt sein, dass sich ein Molekül innerhalb ihrer Ausdehnung frei bewegen kann, ohne dabei auf ein anderes zu stoßen und dabei die Wände des Rotors mindestens 2 mal trifft, was z.B. in einem kegelförmigen Loch der Fall ist. Wenn man voraus setzt, dass ein einzelner Stoßvorgang zum Teil elastisch verläuft, also die Impulsübertragung nicht zu 100% erfolgt, dann wird beim ersten Stoß nicht der volle Impuls übertragen und von dem verbleibenden Rest kann beim zweiten Stoß noch ein zusätzlicher Impuls übertragen werden, der den eigentlichen Gewinn ausmacht, da auf der unstrukturierten Fläche eben dieser zweite Stoß nicht stattfinden kann.
Dadurch wird im Vergleich zu einer ebenen Fläche ein zusätzlicher Impuls übertragen, was sich dann als erhöhter Luftdruck auf die strukturierte Fläche im Vergleich zu einer eben Fläche äußert. Das Funktionsprinzip wäre ähnlich wie beim Radiometer, nur das hierbei keine zusätzliche Wärmeenergie eingestrahlt werden muss. Ein solches Gerät kann Energie aus der Umgebungswärme gewinnen, ähnlich wie eine sich selbst antreibende Wärmepumpe.

Diffusionsvakuumpumpe

Diffusionspumpe In den Diffusions- oder Treibmittelpumpen ist der Rotor der Turbopumpe durch Öl oder Quecksilber als Arbeitsmedium ersetzt. Es wird in einem Siedegefäß erhitzt und verdampft. Die heißen Gase steigen unter Druck auf und werden im Hochvakuumraum wieder nach unten umgelenkt. In den Dampfstrahl diffundieren dann Luftmoleküle hinein, und werden mit nach unten gerissen. An der wassergekühlten Außenwand des Gefäßes kondensiert der Dampf, und gibt die Luftmoleküle wieder frei. Dort werden sie dann von der Vorpumpe abgesaugt. Mit solchen Pumpen erreicht man bis zu 10^-9 mbar. Sie benötigen meist ein Vorvakuum von einigen mbar, wie es mit mechanischen oder Wasserstrahlpumpen leicht erreicht werden kann.



Mögliche Versuche

Siedendes Wasser Stellt man ein Glas heißes Wasser in die Vakuumglocke, so beginnt es nach Einschalten der Pumpe recht bald wieder zu sieden. Das Sieden kann bei einer guten Vakuumpumpe recht lang anhalten, auch wenn das Wasser schon wieder stark abgekühlt ist. Dieser Effekt ist die Umkehrung eines Kochtopfes. Dort wird ein Überdruck dazu verwendet, dass Wasser bei höheren Temperaturen sieden zu lassen. Bei Unterdruck ist es dann genau umgekehrt.

MPEG-Video 513kB In diesem Video ist der Beginn des Siedens im Zeitraffer (12fache Geschwindigkeit), zu sehen. Es wird ein Glas Wasser bei Raumtemperatur dem Vakuum ausgesetzt. Bei etwas 20mBar beginnt es zu sieden. Das setzt eine gute Pumpe voraus, die dieses Vakuum erreicht und den entstehenden Wasserdampf auch abführen kann.

Dampfdruckkurve Die Dampfdruckkurve des Wassers beschreibt den Zusammenhang von Siedetemperatur und Druck. Eine Flüssigkeit siedet dann, wenn sich nicht nur an der Oberfläche Gas bildet, sondern auch im Inneren in Form von Gasblasen. Wasser hat z.B. einen Dampfdruck von 1,013bar bei 100°C. Bei niedrigerem Druck siedet es früher, bei höherem später. Die Kurve beschreibt diesen Zusammenhang von 0°C bis 300°C.
Anhand dieser Kurve kann man auch leicht das Vakuum schätzen, dass von der Pumpe erzeugt wird. Stellt man ein Glas heißes Wasser in die Vakuumglocke, so beginnt es mit fallendem Druck wieder zu sieden. Wenn es dann gerade aufhört zu sieden, hat das Wasser eine Temperatur, bei der der Dampfdruck annähernd dem Vakuum entspricht.
Bei meiner Membranpumpe konnte ich eine Temperatur von 55°C nach dem Sieden messen. Wenn man zwischen 50°C und 60°C linear interpoliert, erhält man so einen Druck von ca. 160mbar. Eine später durchgeführte Messung mit einem Vakuummeter zeigte, dass es ganz gut stimmt. Es wurden direkt an der Pumpe 140mbar gemessen. Wenn man bedenkt, dass die Pumpe unter dem ständig entstehenden Wasserdampf nie das gemessene Endvakuum erreichen kann stimmt es relativ gut mit der Abschätzung überein.

zur Druck und Temperatur Berechnung

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Auch der klassische Vakuum Versuch mit dem Luftballon kann sehr beeindruckend sein. Man glaubt gar nicht wie groß er wird. Dazu legt man einen nicht ganz leeren, verknoteten Luftballon in die Vakuumglocke. Nach Einschalten der Pumpe wird er zusehends größer und füllt bei Erreichen eines hohen Vakuums fast die ganze Glocke aus. Dabei ist zu beobachten, dass die Ausdehnung nicht etwa linear verläuft, wie man vermuten könnte, sondern kurz vor Erreichen des Endvakuums immer schneller wird. Man kann sich das so vorstellen, dass die im Ballon verbliebene Luft sich im hohen Vakuum ja gleichmäßig auf das gesamte Volumen verteilen würde. Nur die Ballonhaut verhindert eine komplette Ausfüllung.

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Auf ganz ähnliche Weise wächst auch eine Schwedenbombe an. Der Schaum enthält ebenfalls große Mengen an Luft, die im Vakuum expandieren. Der Vorteil dieses Versuches ist es, dass man das Versuchsobjekt nachher aufessen kann.

MPEG-Video 867kB Das Video zeigt, wie die Schwedenbombe im Vakuum wächst. Das Video ist in der Zeit beschleunigt (12fache Geschwindigkeit), um die Größe herabzusetzen. Am Ende ist zu sehen, wie der Schaum wieder ein wenig zusammensinkt, obwohl das Vakuum weiterhin bestehen bleibt. Aus der jetzt viel größeren Oberfläche tritt immer ein gewisser Anteil der Luft aus, wenn das Vakuum seinen Endwert erreicht, so tritt mehr aus, als durch die Vergrößerung des Volumens gewonnen wird und der Schaum wird wieder etwas kleiner. Das ist auch der Grund, warum nach dem Einlassen der Luft, der Schaum viel weniger ist als zu Beginn.

MPEG-Video 845kB Ganz ähnlich verhält sich dieses Schaumgebäck. Es wird mit steigendem Vakuum zusehends größer, behält aber weitgehend seine Form bei. Das Video ist ebenfalls in der Zeit beschleunigt (12fache Geschwindigkeit).

Siedeverzug
Ein weiterer Effekt kann hierbei noch auftreten. Wenn das Vakuum langsam gesteigert, und auch sonst keine Bewegungen im Wasser herrschen, kann es zu einem so genannten Siedeverzug kommen. Es ist nämlich möglich, den Druck weit unterhalb des Dampfdruckes abzusenken, ohne das Wasser dadurch gleich zum Sieden zu bringen. Wenn dann eine kleine Störung im Wasser auftritt, bilden sich schnell Dampfblasen, die durch ihre Ausdehnung weitere Unruhen im Wasser auslösen und so wieder neue Blasen bilden. Auf diese Weise kann eine große Menge Wasser schlagartig verdampfen, weil im überheißen Wasser sehr viel Energie gespeichert ist, die auch schlagartig zur Umsetzung bereit steht.
Durch diese "Explosion" wird  mitunter sehr viel Wasser aus dem Gefäß herausgeschleudert. Man sollte darauf achten, dass die Pumpe dann nicht zuviel Wasser einsaugt !
Der Effekt des Siedeverzuges ist beim normalen Erhitzen von Wasser nur extrem schwer hervorzurufen und in einem offenen Gefäß auch nicht zu empfehlen. Es treten eigentlich immer Konvektionsbewegungen durch die Wärmezufuhr auf. Bewegungen im Wasser erzeugen geringe Druckunterschiede, wodurch es in der Verdünnungsphase leichter möglich ist Dampfblasen zu bilden.

Stellt man ein Glas mit Mineralwasser in die Vakuumglocke, so steigen nach dem Einschalten der Pumpe sofort Gasblasen auf. Mit zunehmendem Vakuum wird das Perlen immer stärker, bis es schließlich aufhört. Das kann nicht mit dem Sieden aus dem vorherigen Versuch verglichen werden. Hier entstehen die Perlen bei einem relativ schwachen Vakuum und nicht irgendwo in der Flüssigkeit sonder eher am Rand und am Boden des Gefäßes. Der Grund für dieses Verhalten liegt darin, dass die Kohlensäure im Wasser gelöstes Kohlendioxid ist. Dieses Gas wird unter Druck ins Wasser eingebracht, und bleibt dann bei Normaldruck einige Zeit gelöst. Im Vakuum geht das Herauslösen viel schneller. Ähnliches ist auch mit Ultraschall zu erreichen.

Gefrorenes Wasser Wenn man eine gute Pumpe besitzt, die ca. 1 mbar erreicht, dann ist es sogar möglich, kleine Wassertropen zum Gefrieren zu bringen. Kleine Wassermengen sind hierbei wichtig, um die Pumpe nicht mit großem Dampfdruck zu überfordern. Weiters haben die Tropfen eine relativ große Oberfläche, was die Verdunstung beschleunigt. Denn das Wasser kann nur durch die eigene Verdunstungskälte gefrieren.

Das dazugehörige Video zeigt wieder im Zeitraffer, wie die Tropfen gefrieren.
Interessant ist, dass ein gefrorener Tropfen solange fest bleibt, bis man das Vakuum entfernt. Man würde vielleicht annehmen, dass er wieder auftaut, weil nichts mehr verdampfen kann. Doch dem ist nicht so. Es verdunstet oder besser gesagt sublimiert (So nennt man den  Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand) weiterhin Wasserdampf aus dem Eis und hält es dadurch kühl. Es ist seltsam zu sehen, wie ein Eisstück mit der Zeit immer kleiner wird, ohne zu schmelzen. Das ist eine Eigenschaft, die erst unterhalb des so genannten Trippelpunktes auftritt. Dieser liegt für Wasser bei einem Druck von 6,1 mbar und einer Temperatur von 0,0075°C. Bei diesen Verhältnissen kann Wasser in allen drei Aggregatzuständen gleichzeitig auftreten.
Bei Kohlendioxid z.B. tritt dieser Effekt auch schon bei Normaldruck auf. Das aus Kohlendioxid hergestellte Trockeneis ist also wirklich trocken, weil es direkt in den gasförmigen Zustand übergeht, und sich so kühl hält ohne flüssig zu werden.

Ein etwas merkwürdiger Effekt tritt auf, wenn man wieder Luft in die Vakuumglocke strömen lässt. Diese erwärmt sich doch beträchtlich, obgleich man annehmen würde, dass genau das Gegenteil der Fall sei. Bei der Herstellung von flüssiger Luft wird ja auch komprimierte Luft entspannt, wodurch sie sich abkühlt. Hier tritt zwar auch Luft mit hohem Druck in einen Raum mit geringerem Druck ein, doch der erreichte Enddruck ist gleich dem Anfangsdruck der einströmenden Luft. Eine Entspannung könnte nur dann auftreten, wenn das Gas mit hohem Druck, nachher einen geringeren Druck hat. Das ist hier nicht der Fall. Außerdem würde bei Entspannung der Luft von 1 bar nur eine Abkühlung um 1/4°C auftreten. Die Erwärmung ist hier aber viel größer und liegt bei einigen °C. Außerdem entsteht durch Reibung an Kanten und Übergängen im Schlauch Wärme. Lässt man die Luft langsamer einströmen, so ist die Erwärmung nicht mehr so stark.

Die gefrorenen Wassertropfen zeigen sehr schön, wie das Vakuum unsere physikalischen Gesetze beeinflusst. Wer hätte schon gedacht, dass Wasser bei Raumtemperatur sieden kann, und dann auch noch gefriert, wo doch jedes Kind lernt, dass Wasser bei 100°C siedet. Doch leider vergessen wir dabei meist die Druckangabe.
So ist es mit allen unseren Naturgesetzen. Unter veränderten Bedingungen erkennen wir sich nicht wieder. Wenn die Gesetze dann auch noch ohne Kenntnis der Rahmenbedingungen aufgestellt werden, verlieren sie unter einem anderen Blickwinkel ihre Gültigkeit.

Physikseite
Vortrag zur Vakuumtechnik