Vakuum – einfach erklärt

Grundbegriff und theoretische Grenzen

Ein Vakuum ist in der technischen Praxis ein Raum, in dem Materie weitgehend fehlt. Er enthält keine festen Gegenstände oder Flüssigkeiten und nur sehr wenig Gas; deshalb herrscht ein sehr niedriger Gasdruck. Gasdruck entsteht durch Stöße der Gasmoleküle gegen die Wände eines Behälters. Entfernt eine Pumpe Moleküle aus einem abgeschlossenen Behälter, sinkt der Druck. Der entstehende Unterdruck ist geringer als der Umgebungsdruck. Das Herstellen eines Vakuums heißt Evakuieren, sein Abbau Brechen.

Nach DIN 28400 Teil 1 vom Mai 1990 liegt ein Vakuum vor, wenn der Gasdruck und damit die Teilchenzahldichte in einem Behälter niedriger als außerhalb sind oder wenn der Gasdruck unter 300 mbar liegt. Je nach Restdruck unterscheidet man Grob-, Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum. Selbst Vakuumverpackungen erreichen meist kein besonders starkes Vakuum.

Ein vollständig materiefreier Raum, das ideale Vakuum, ist weder technisch herstellbar noch messbar. Auch im Weltraum befinden sich Teilchen. Elektromagnetische Strahlung sowie elektrische, magnetische und Gravitationsfelder können ebenfalls in einem Vakuum vorhanden sein. In der Quantenfeldtheorie bezeichnet Vakuum den Zustand mit der tiefstmöglichen Energie und Teilchenzahlen von null für alle Feldquanten. Aufgrund der Energie-Zeit-Unschärferelation treten dennoch ständig kurzzeitig virtuelle Teilchen auf und verschwinden wieder; dies nennt man Vakuumfluktuationen. Ob ein absolut leerer Raum möglich ist, bleibt physikalisch ungelöst.

Druckbereiche und Kenngrößen

Die Qualität eines technischen Vakuums wird vor allem durch Druck, Moleküldichte und mittlere freie Weglänge beschrieben. Die mittlere freie Weglänge ist die durchschnittliche Strecke, die ein Teilchen zwischen zwei Zusammenstößen zurücklegt. Der Druck wird meist in Pascal (Pa) oder Millibar (mbar) angegeben. Nach ISO 3529-1:2019 gelten folgende Bereiche:

• Normaldruck: 101,325 kPa beziehungsweise 1013,25 mbar; Moleküldichte 2,7 · 10^19 cm^−3; mittlere freie Weglänge 68 nm.

• Grobvakuum: bis 100 Pa beziehungsweise bis 1 mbar; bis 10^16 cm^−3; freie Weglänge 0,1 bis 100 μm.

• Feinvakuum: 100 Pa bis 100 mPa beziehungsweise 1 bis 10^−3 mbar; 10^16 bis 10^13 cm^−3; 0,1 bis 100 mm.

• Hochvakuum (HV): 100 mPa bis 1 μPa beziehungsweise 10^−3 bis 10^−8 mbar; 10^13 bis 10^8 cm^−3; 100 mm bis 10 km.

• Ultrahochvakuum (UHV): 1 μPa bis 1 nPa beziehungsweise 10^−8 bis 10^−11 mbar; 10^8 bis 10^5 cm^−3; 10 bis 10^4 km.

• Extrem hohes Vakuum (XHV): unter 1 nPa beziehungsweise unter 10^−11 mbar; unter 10^5 cm^−3; freie Weglänge über 10^4 km.

• Ideales Vakuum: 0 Pa, 0 mbar und 0 Teilchen pro cm³; die freie Weglänge wäre unendlich.

Im Feinvakuum wird die freie Weglänge ähnlich groß wie ein typischer Vakuumbehälter. Die Gasbewegung geht von viskoser Strömung über Knudsenströmung in molekulare Strömung über. Das beeinflusst Nutzung, Erzeugung und Messung des Vakuums. Im Hochvakuum kann die mittlere Zeit, bis eine Oberflächenstelle von einem Restgasteilchen getroffen wird, zwischen einer Stunde und einem Jahr liegen. Im UHV stören bereits die Dampfdrücke von Werkstoffen. Druckmessgeräte für Vakua heißen Vakuummeter.

Physikalische und biologische Eigenschaften

Licht, Teilchen sowie elektrische, magnetische und Gravitationsfelder können sich im Vakuum ausbreiten. Schall benötigt dagegen ein materielles Medium und kann sich im idealen Vakuum nicht fortpflanzen. Wärmestrahlung breitet sich als elektromagnetische Welle ebenfalls aus. Mit sinkendem Druck nehmen jedoch die materiegebundene Wärmeübertragung durch Konvektion und – sobald die mittlere freie Weglänge größer als der Gefäßdurchmesser ist – auch die Wärmeleitung ab. Deshalb eignet sich Vakuum zur Wärmedämmung.

Hochvakuum besitzt eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit. Bei sinkendem Druck nimmt diese zunächst stark ab, weil ein Niederdruckplasma entstehen kann. Wird die freie Weglänge der Ionen größer als der Elektrodenabstand, steigt die Durchschlagsfestigkeit wieder steil an. Dieser Zusammenhang lässt sich mit dem Paschen-Gesetz abschätzen.

Vakuum ist kein Lebensraum, weil Lebewesen für ihren Stoffwechsel Materie benötigen. Bakteriensporen sowie Pflanzensamen und -sporen können jedoch eine gewisse Zeit darin überleben. Auch höhere Lebewesen können einem Vakuum kurzzeitig widerstehen. Beim Menschen beginnt das Blut entgegen einer verbreiteten Annahme nicht sofort zu sieden: Haut und Gewebe können normalerweise dem Dampfdruck der Körperflüssigkeiten bei weniger als 0,05 bar widerstehen; normaler Luftdruck beträgt 1 bar. Verminderter Druck kann dennoch Dekompressionskrankheit oder Höhenkrankheit verursachen.

Erzeugung hoher Vakua

Zur Erzeugung eines Vakuums wird ein abgeschlossener Hohlraum, der Rezipient, mit Vakuumpumpen von Gas befreit. Eine Wasserstrahlpumpe erzeugt ein Grobvakuum, dessen Grenze dem Wasserdampfdruck bei der vorhandenen Temperatur entspricht, beispielsweise 23 hPa beziehungsweise mbar bei 20 °C.

Für Hoch- und Ultrahochvakuum werden mehrere Pumpstufen kombiniert. Mechanische Pumpen wie Drehschieber-, Membran- oder Scrollpumpen erzeugen zunächst einen Vordruck von 1 bis 100 Pa beziehungsweise 0,01 bis 1 mbar. Danach erzeugt eine Turbomolekularpumpe – bei geringeren Ansprüchen eine Öldiffusionspumpe – innerhalb einer bis mehrerer Stunden ungefähr 10^−7 mbar beziehungsweise 10 μPa. Einfaches Weiterpumpen genügt dann nicht, weil adsorbiertes Wasser und andere Stoffe mit niedrigem Dampfdruck ständig von den Oberflächen desorbieren, also freigesetzt werden.

Deshalb wird die Kammer typischerweise auf 130 °C bis über 200 °C ausgeheizt. Dieser Vorgang dauert meist mindestens 24 Stunden, bei komplizierten Einbauten oft zwei bis drei Tage. Sauberes Arbeiten ermöglicht so etwa 10^−8 bis 10^−9 mbar. Die Apparaturen bestehen häufig aus nichtrostendem Stahl oder Glas und besitzen temperaturbeständige Dichtungen aus Aluminium oder Teflon.

Für UHV ionisiert und bindet eine Ionengetterpumpe Restgasmoleküle in Titanröhrchen. Sie arbeitet zwischen 10^−7 mbar (10 μPa) und 10^−10 mbar (10 nPa). Eine Titansublimationspumpe lagert hochreaktives Titan an einer Wand ab, das Restgas bindet. Damit sind etwa 10^−11 mbar (1 nPa) erreichbar. Kühlfallen senken den Druck zeitweise auf ungefähr 10^−12 mbar (0,1 nPa). Wird die gesamte Kammer in flüssiges Helium getaucht, sind weniger als 10^−16 mbar (10 fPa) möglich.

Technische und alltägliche Anwendungen

Vakuumtechnik wird in Forschung, Elektronenmikroskopie, Teilchenbeschleunigern, Mikroelektronik und bei der Herstellung metallischer Werkstoffe eingesetzt. Sauggreifer halten oder transportieren flächige Werkstücke mithilfe eines Grobvakuums. Bei Wärmebehandlungen wie Härten, Anlassen, Nitridieren und Aufkohlen verhindert Vakuum die Oxidation durch Luftsauerstoff.

Glühlampen wurden durch Vakuum technisch möglich, weil es besonders bei Edisons Kohlefadenlampe das Verbrennen des Glühfadens verhinderte. In Elektronen-, Bild- und Röntgenröhren, Magnetrons und Elektronenstrahlquellen vergrößert Hochvakuum die freie Weglänge der Elektronen bis ungefähr zur Größe des Gefäßes. Dadurch stören nur wenige Zusammenstöße mit Restgasteilchen den Elektronenstrahl. Getter binden verbleibende oder später austretende Gase.

Nach DIN 8580 ist Evakuieren ein Fertigungsverfahren: In einem Werkstück wird ein dauerhaft benötigtes Vakuum hergestellt, etwa in einer Elektronenröhre, oder der Hohlraum wird vor dem Einfüllen eines Schutzgases evakuiert. In der Verfahrenstechnik gehört die Entgasung dagegen zu den Trennverfahren. Bei der Gefriertrocknung sublimiert Eis im Vakuum direkt zu Gas, ohne flüssig zu werden. In der Zuckerherstellung verhindert der niedrigere Siedepunkt unter Vakuum, dass die Zuckerlösung beim Wasserentzug karamellisiert. Bei der Vakuumdestillation lassen sich hochsiedende Stoffe schonend trennen; als grobe Regel senkt eine Halbierung des Drucks den Siedepunkt um etwa 10 bis 15 K.

Bei Vakuumverpackungen verlangsamt wenig Restsauerstoff Stoffwechsel- und Oxidationsprozesse. Haushaltsgeräte erzeugen dabei nur ein Grobvakuum. Beim Vakuumgaren werden verpackte Lebensmittel im Wasserbad oder in geregeltem Dampf unter 100 °C gegart, wodurch Struktur und Aroma besser erhalten bleiben. Beim Vakuumfrittieren sollen niedrigere Temperaturen schädliche Nebenprodukte der Maillard-Reaktion wie Acrylamid verhindern oder vermindern.

Die geringe Wärmeübertragung wird in Isolierkannen, Dewargefäßen, Vakuumröhrenkollektoren, Vakuumdämmplatten und teilweise in Isolierglas genutzt. Bei Vakuum-Isolierglas verhindern über die Fläche verteilte transparente Abstandshalter, dass sich die Scheiben unter dem äußeren Luftdruck zu stark verformen.

Vakuum im Weltraum

Der interstellare und intergalaktische Raum besitzt ein besseres Vakuum als jedes auf der Erde herstellbare. Trotzdem ist er nicht leer: Durchschnittlich kommt etwa ein Teilchen pro cm³ vor, in kosmischen Voids bis hinunter zu einem Teilchen pro m³. Außerdem gibt es elektrische, magnetische und Gravitationsfelder, elektromagnetische Wellen, Neutrinos, kosmische Strahlung und andere Teilchenströme.

Für ausgewählte Bereiche nennt der Artikel sehr unterschiedliche Größenordnungen: In einer erdnahen Umlaufbahn liegt der Druck unter etwa 10 bis 1 μPa beziehungsweise unter 10^−7 bis 10^−8 mbar. Im äußeren Van-Allen-Gürtel reicht er von unter 100 nPa bis 10 pPa, in einer geosynchronen Umlaufbahn liegt er unter 1 fPa beziehungsweise 10^−17 mbar. Für den interplanetaren Raum werden weniger als 0,1 fPa beziehungsweise 10^−18 mbar angegeben.

Satelliten und Raumsonden können Wärme wegen des Vakuums nur durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung aufnehmen oder abgeben. Ihr Wärmehaushalt wird deshalb beispielsweise mit Jalousien, abstrahlenden Kühlkörpern, reflektierenden Flächen und Heatpipes geregelt. Im Sonnenschatten lassen sich durch Abstrahlung gezielt sehr tiefe Temperaturen erzeugen, etwa für Infrarot- und Radiowellensensoren. Diese Technik wird auch bei den Weltraumteleskopen James Webb und Euclid verwendet.