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Mikrowellenherd

Ein Mikrowellenherd oder auch Mikrowellenofen (kurz: Mikrowelle) ist ein Gerät zum schnellen Erhitzen von Speisen, Flüssigkeiten und anderen geeigneten Stoffen mithilfe der Absorption von Dezimeterwellen (Mikrowellen).

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Percy Spencer entdeckte, dass Essen per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, als er Magnetrons für Radaranlagen bei dem Unternehmen Raytheon baute. Er arbeitete an einem aktiven Radar, als er ein seltsames Gefühl spürte und sah, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche zu schmelzen begann. Er war nicht der Erste, der dieses Phänomen bemerkte. Allerdings war er als Halter von 120 Patenten mit Entdeckungen und Experimenten vertraut und verstand, was geschehen war: Das Radar hatte die Schokolade durch die Mikrowellenstrahlung geschmolzen. Popcorn war das erste Nahrungsmittel, das gezielt auf diese Weise zubereitet wurde, das zweite ein Ei (welches vor den Augen der Experimentatoren explodierte). In Nordamerika ist Mikrowellen-Popcorn eine der am häufigsten in der Mikrowelle zubereiteten Speisen. Andere Verfahren der privaten Zubereitung (z. B. Heißluft) wurden fast vollständig verdrängt.

Der Mikrowellenherd wurde 1946 von Percy Spencer am Unternehmen Raytheon (Hersteller von Hochfrequenztechnik) erfunden und patentiert, 1947 das erste Exemplar gebaut. Dieses war fast 1,80 m hoch und wog 340 kg. Es besaß eine Wasserkühlung und hatte eine Leistung von 3000 W, etwa das Dreifache von heute üblichen Haushaltsgeräten. Einer der ersten kommerziellen Mikrowellenherde hatte 1954 eine Leistung von 1600 W und kostete zwischen 2000 und 3000 $. 1965 kam das erste populäre Gerät für 495 $ auf den Markt.

Mikrowellenherde waren anfangs zunächst in Passagierflugzeugen populär – sie wurden von Unternehmen hergestellt, die Erfahrung mit Magnetrons aus der Entwicklung von Radargeräten hatten.

Da der Preis von Mikrowellenherden in den 1970er Jahren rapide sank, stiegen die Verkaufszahlen deutlich an: 1970 wurden in den USA 40.000 Geräte verkauft, 1975 waren es schon eine Million. Heutzutage besitzen 95 % der amerikanischen Haushalte ein Mikrowellengerät.

Weitere Anwendungsgebiete

Stark vergrößerte „Mikrowellenherde“ werden industriell als Alternative zu Autoklaven zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt bzw. es werden deren Einsatzmöglichkeiten erforscht. Dabei ist besonders die Energieersparnis, die auf der Tatsache beruht, dass nur das Werkstück erhitzt wird (siehe Wirkungsweise/Wirkungsgrad), im Vergleich zu den herkömmlichen Herstellungsmethoden von Faserverbundwerkstoffen interessant.

Weitere Anwendung ist das Trocknen verschiedener Materialien.

Wirkungsweise

Der Mikrowellenherd verwendet elektromagnetische Wellen in einem geschlossenen Metallraum, durch die insbesondere das in den eingebrachten Lebensmitteln stets enthaltene Wasser erwärmt wird. Wasser hat aufgrund des Dipolmomentes seiner Moleküle und einem gewissen Anteil an dissoziiert vorliegenden Molekülen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit. Ferner besitzt es in einem breiten Frequenzbereich einen hohen dielektrischen Verlustfaktor. Es erwärmt sich daher in Hochfrequenzfeldern besonders gut. Durch Wärmeleitung wird die Wärme auch auf benachbarte Bereiche übertragen, die sich durch Mikrowellen nicht direkt anregen lassen. Gefrorenes Wasser (Eis) kann übrigens nur schlecht im Mikrowellenherd erwärmt werden, da die Wassermoleküle im Eiskristall fixiert, also schlecht beweglich sind. Daher werden die Mikrowellen im Eis nur wenig absorbiert.

Die Wirkung beruht auf der dielektrischen Erwärmung, aber nicht wie oft behauptet, auf der Resonanz der Wassermoleküle. Wasser hat seine niedrigste Resonanzfrequenz im flüssigen Zustand bei 18 GHz, freie Wassermöleküle in Dampf bei 22,23508 GHz. Mikrowellenherde benutzen aber elektromagnetische Strahlung mit einer viel tieferen Frequenz von typischerweise 2,455 GHz. Die Frequenzwahl ist das Ergebnis eines Kompromisses:

Je niedriger die Frequenz, desto größer die Eindringtiefe, desto schlechter aber auch die Absorption. Bei zu hoher Frequenz und kleiner Eindringtiefe wird nur die Oberfläche erwärmt.

Ein Magnetron mit 2,455 GHz lässt sich kostengünstig herstellen und die Frequenz ist durch seine inneren mechanischen Abmessungen unveränderlich. Die Eindringtiefe in Wasser liegt dann im Bereich weniger Zentimeter. Zur Erwärmung von wasserhaltigen Speisen könnte man aber auch problemlos jede andere Frequenz verwendet werden, mit jeweils anderen Eindringtiefen. In manchen Ländern wie den Vereinigten Staaten kommt für industrielle Mikrowellenherde auch die Frequenz um 915 MHz zum Einsatz. Dort ist der Bereich 902–928 MHz als ISM-Frequenzband frei verwendbar.

Aufbau

Die Mikrowellen werden mit Hilfe eines Magnetrons erzeugt und mittels eines Hohlleiters in den metallischen Garraum geleitet. Der Garraum verhindert die Ausbreitung der Mikrowellen außerhalb des Gerätes.

Zur Versorgung des Magnetrons ist eine hohe Anodenspannung erforderlich (bis zu 5 kV), die im Gerät mit Hilfe eines Hochspannungstransformators und einer Spannungsverdopplerschaltung erzeugt wird. Die Hochspannung ist nicht konstant, sondern besteht aus kurzen Spannungsimpulsen der Frequenz 50 Hz (pulsierender Gleichstrom). Der Transformator versorgt auch die Glühkathode des Magnetrons mit Strom. Ein Ventilator kühlt das Magnetron und bläst dessen Verlustwärme durch den Garraum.

Die Leistungssteuerung erfolgt meist durch Pulsweitenmodulation, das heißt, dass das Magnetron im Rhythmus von einigen Sekunden ein- und ausgeschaltet wird.

Das Strahlungsfeld der eingebauten Mikrowellenantenne füllt den Garraum des Herdes sehr ungleichmäßig aus. Um eine gleichmäßige Erwärmung der Speisen zu erreichen, müssen ortsfeste Moden in ihnen verhindert werden. Das heißt, die Orte hoher Strahlungsleistung müssen ständig variieren. Zu diesem Zweck kommt oft ein sogenannter Stirrer (engl. für Rührer) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein rotierendes, kompliziert geformtes Aluminium-Flügelrad im Inneren des Garraumes (meist an der Decke unter einer geeigneten Abdeckung), welches wie ein elektromagnetischer „Quirl“ funktioniert, indem er die Schwingungsmoden des wie ein Hohlraumresonator wirkenden Garraumes ständig ändert. Zusätzlich werden die Speisen meist durch einen Drehteller gedreht.

Die Tür ist ein in dreifacher Hinsicht sicherheitrelevantes Bauteil: Sie muss die Mikrowellen im Inneren einschließen und durch ihren Verschlussmechanismus sichern, dass das Gerät unter keinen Umständen bei geöffneter Tür arbeiten kann. Weiterhin gewährt sie Einblick durch ein Lochblech, vor dem sich in einem bestimmten Abstand eine Scheibe befindet. Das Lochblech verfügt über Öffnungen, die eine deutlich geringere Weite als die halbe Wellenlänge der Mikrowellen (etwa 12,2 cm) haben. Strahlung kann daher nicht hindurch. Zur vollständigen Strahlungsauslöschung kommt es jedoch erst wenige Millimeter hinter dem Lochblech. Eine Scheibe verhindert daher die Annäherung an das Lochblech, so dass keine Strahlung durch Berühren oder Gegenstände ausgekoppelt werden kann.

Die Tür hat einen umlaufenden Spalt mit einem Umfang des Querschnittes eines Viertels der Wellenlänge (Resonanzdichtung). Dieser Spalt wirkt auch ohne elektrischen Kontakt als selektiver Sperrkreis für die Frequenz des Magnetrons. Der Spalt darf daher nie verformt sein oder anderweitig durch leitfähige Teile verändert werden. Leckstrahlungsmessungen konzentrieren sich daher auf diesen Bereich der Tür. Nur dort ist eine signifikante Feldstärke außerhalb des Mikrowellenofens zu erwarten. Meist liegt sie auch in unmittelbarer Nähe weit unterhalb einer möglichen Gefährdung.

Der Mikrowellengarraum selbst ist ansonsten ein vollständig geschlossenes Gefäß aus Metall (Faradayscher Käfig), mit welchem das Magnetron über einen kurzen Hohlleiter direkt verbunden ist. Strahlung kann daher nicht austreten, wenn der Mikrowellenherd in Ordnung ist.

Anwendungshinweise

Es ist darauf zu achten, dass die Leistung des Magnetrons immer ausreichend absorbiert wird, da es sonst Schaden nehmen kann (Rückreflexion). Deshalb sollte man einen Mikrowellenherd nicht mit leerem Garraum einschalten.

Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts verschiedener Speisen (oder Teilen davon), kann es trotz Stirrer (englisch für Rührer) und Drehteller zur inhomogenen Erwärmung kommen – so erwärmen sich beispielsweise Knochen im Vergleich zum Fleisch relativ gering. Salziges erwärmt sich mehr als Fettiges. Zum sicheren Durchgaren der Speisen ist es daher ratsam, diese abzudecken und gegebenenfalls mit geringerer Leistung länger zu garen.

Es wird auch empfohlen, die Speisen in mehreren Intervallen mit Pausen dazwischen zu erwärmen. Moderne Mikrowellenherde verfügen auch über eine sogenannte Auftaufunktion. Hierbei wird in kurzen Abständen zuerst durch Mikrowellen bereits geschmolzenes Wasser erwärmt, dann einige Zeit gewartet, bis durch die zugeführte Wärme noch gefrorenes Wasser aufgetaut wird, um dann wieder von vorne zu beginnen.

Berüchtigt sind so genannte „hot spots“ in den Speisen – diese können zu Verkohlungen und Schadstoffen führen.

Auch der Effekt des Überhitzens von Wasser in glatten Gefäßen ist eine mögliche Gefahrenquelle: Es kann passieren, dass Wasser über den eigentlichen Siedepunkt erhitzt wird, ohne zu sieden – diese Gefahr besteht vor allem bei mehrmaligem Erhitzen in der Mikrowelle. Das überhitzte (siehe Siedeverzug) Wasser kann dann bei Bewegung plötzlich verdampfen. Das bedeutet, dass bei Entnahme ein Teil des Wassers explosionsartig zu Dampf wird und Wasser aus dem Gefäß schleudert. Abhilfe kann hier ein im Glas stehen gelassener Glasstab schaffen, an dem sich beim Sieden Dampfblasen bilden können.

Wegen der hohen Sendeleistung des Magnetrons können in Metallteilen im Garraum Ströme von mehr als 20 A fließen. Dünne Metallschichten, beispielsweise Alufolie, Geschirr mit metallischen Verzierungen oder ähnliche Dinge, können deshalb schmelzen. Dickere Gegenstände wie Besteck, werden dagegen nur heiß. Das gelegentlich verbreitete Gerücht, Metall sei in der Mikrowelle tabu, ist falsch. Schließlich besteht der Mikrowellenherd selbst aus Metall. Man kann problemlos beim Erhitzen einer Flüssigkeit einen Metall-Löffel hinein stellen, was auch dem Siedeverzug entgegenwirkt.

Wenn man Metallstücke mit ungeeigneter Geometrie wie etwa Gabeln, oder mit geringem Abstand zur Wandung in den Garraum einbringt, können Funkenüberschläge entstehen, wenn die erzeugte elektrische Feldstärke ausreichend ist (≥ 106 V/m).

Spezielles, sogenanntes Bräunungsgeschirr sowie andere verlustbehaftete dielektrische oder elektrisch mittelmäßig leitfähige Stoffe sowie ferromagnetische Keramik werden erwärmt. Unglasiertes Steingutgeschirr oder solches mit Rissen in der Glasur kann sich mit Wasser vollsaugen, wodurch es dann indirekt erwärmt wird. Dies führt dann beispielsweise dazu, dass eine Suppenschale zu heiß zum Anfassen wird, während die Suppe im Inneren sich nur an der Oberfläche (der Eindringtiefe entsprechend) erwärmt.

Gefahren

Die Mikrowellenstrahlung wirkt auch auf menschliches Gewebe erwärmend. Sie kann zu Verletzungen (insbesondere Verbrennungen) führen. Besonders gefährdet sind dabei schlecht durchblutete Körperteile, welche die Wärme über den Blutkreislauf nicht schnell genug abführen können. Bei einem intakten Mikrowellenherd treten jedoch nur geringe Strahlungsleistungen aus, von denen keine Gefahr ausgeht. Mikrowellenherde sind sehr gut gegen Betrieb mit offener Tür geschützt – auch im Fehlerfall. Geräte mit beschädigtem/verbogenem Gehäuse oder Tür sollten aber nicht weiterverwendet werden, da dann auch außerhalb des Geräts verhältnismäßig starke hochfrequente elektromagnetische Felder auftreten können, und eine Verletzungsgefahr besteht.

Die Entstehung von Schadstoffen durch das Verfahren der Mikrowellenerwärmung an sich wird häufig diskutiert. Gefahren dürften sich jedoch nur aus lokal verbrannten oder unzureichend gegarten Speisen ergeben, da die Mikrowellenstrahlung selbst keine molekularen bzw. chemischen Strukturveränderungen hervorrufen kann. Die Energie der Mikrowellen-Photonen ist etwa um den Faktor 1000 zu klein, um unter Normalbedingungen ionisierend wirken zu können. Aus einem Mikrowellenofen tritt daher keine Röntgenstrahlung aus.

Wirkungsgrad

Ein Elektroherd setzt beinahe 100 % der elektrischen Energie in Wärme um. Ein Mikrowellenherd verwandelt nur 50 bis 60 % der aufgenommenen elektrischen Energie in Mikrowellenstrahlung, der Rest wird zu Abwärme. Andererseits heizen die Mikrowellen gezielt lediglich die zu erwärmende Speise, nicht aber den Herd oder dessen Umgebung selbst. Deshalb ist der Mikrowellenherd bei kleineren Portionen energetisch günstiger. Als Richtwert gelten ca. 250 ml Flüssigsubstanz: Es ist hiernach günstiger, 250 ml Flüssigkeit bzw. 250 Gramm einer wasserhaltigen Speise im Mikrowellenherd zu erhitzen, statt in einem Topf auf dem Elektroherd, möglicherweise zusammen mit zusätzlich erforderlichem Wasser.
Das Erwärmen von Wasser ist allerdings im elektrischen Wasserkocher am effektivsten – er hat aufgrund der geringen Wärmekapazität seiner Heizspirale eine sehr viel höhere Effizienz als ein Magnetron oder eine Kochplatte.

Sonstiges

Mikrowellen mit bis zu mehreren hundert Watt werden auch therapeutisch zur Gewebeerwärmung beim medizinischen Verfahren der Diathermie eingesetzt. Der Wärmeeintrag wird genau wie beim Mikrowellenherd über gepulstes An- und Abschalten gesteuert. Mikrowellen mit Leistungen von vielen Kilowatt werden zur industriellen Trocknung und Erwärmung, zur Plasmageneration und in Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Sie werden wie in der Mikrowelle mit Magnetrons oder auch mit Klystrons erzeugt (vgl. Dielektrische Erwärmung).

Magnetrons aus Mikrowellenöfen werden von Funkamateuren als Sender z. B. zur Erde-Mond-Erde-Kommunikation eingesetzt.

Spül- und Putzlappen sind geeignete Lebensräume für Mikroorganismen (siehe auch: Haushaltshygiene). Eine aktuelle Studie[1] (2007) zeigt, dass Mikrowellenherde sich auch für die Sterilisation kontaminierter Schwämme oder Tücher eignen: Schon zwei Minuten in einem solchen Ofen bei voller Leistung töten rund 99 Prozent aller Keime (Bakterien und Viren) ab, vier Minuten sind ausreichend um auch hartnäckige Bakteriensporen zu inaktivieren. Da die Mikrowelle die Erwärmung durch Absorption in Wasser erzeugt, müssen Schwämme oder Tücher in nassem Zustand in die Mikrowelle gegeben werden; die Keime werden durch die hohe Temperatur und nicht durch die Strahlung als solche abgetötet.
Energetisch, in Anbetracht der möglicherweise entweichenden schlechten Gerüche sowie der Gefahr einer nicht durchgehenden Erhitzung (Auflage) und der Brandgefahr empfiehlt es sich jedoch sicher eher, Lappen stattdessen bei >60 °C in der Waschmaschine mit zu waschen.

Das Haustier in der Mikrowelle ist eine moderne Sage aus den USA, die erklären will, weshalb Mikrowellenherde in den USA mit dem Warnhinweis „Nicht geeignet zum Trocknen von Haustieren“ versehen sind.

Nach der Einführung des ePass wurde seitens des Chaos Computer Clubs und Gegnern zunehmender Überwachungsmassnahmen als Akt zivilen Ungehorsams dazu aufgerufen, den im Dokument enthaltenen Chip, auf dem persönliche Daten des Inhabers gespeichert sind, mittels eines Mikrowellenherdes zu zerstören. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass der Pass dennoch seine Gültigkeit behält, da er nach wie vor eine Identifikation der Person ermöglicht.[2] [3]

Literatur

Einzelnachweise

  1. Gabriel Bitton (University of Florida, Gainesville) et al.: Journal of Environmental Health, Bd. 69, S. 17 (Bericht in www.wissenschaft.de, 24.01.2007)
  2. Hacken im Polizeistaat Die Zeit vom 2. Januar 2006
  3. Reisepässe in die Mikrowelle die tageszeitung vom 26. Dezember 2007

Siehe auch

 Wiktionary: Mikrowellenherd – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik