Mikrowellenherd
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Ein Mikrowellenherd oder auch Mikrowellenofen (kurz: Mikrowelle) ist ein Gerät zum schnellen Erhitzen von Speisen, Flüssigkeiten und anderen geeigneten Stoffen mithilfe der Absorption von Zentimeterwellen (Mikrowellen).
Der Mikrowellenherd wurde 1946 von Percy Spencer am Unternehmen Raytheon (Hersteller von Hochfrequenztechnik) erfunden.
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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 .
1946 wurde der Mikrowellenherd von Raytheon patentiert, 1947 bauten sie dann ein erstes Exemplar. 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. dessen 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.
Wirkungsweise
Der Mikrowellenherd verwendet Mikrowellen, durch die insbesondere das in den Lebensmitteln stets enthaltene Wasser erwärmt wird. Auch spezielles, sogenanntes Bräunungsgeschirr sowie andere verlustbehaftete dielektrische oder elektrisch mittelmäßig leitfähige Stoffe sowie ferromagnetische Keramik werden erwärmt.
Mikrowellenherde benutzen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von typischerweise rund 2,455 GHz. Wasser hat aufgrund des Dipolmomentes seiner Moleküle und einem gewissen Anteil an dissoziiert vorliegenden Molekülen eine gewisse elektrische Leitfähigkeit und 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 sind, also schlecht beweglich sind. Daher werden die Mikrowellen im Eis nur wenig absorbiert.
Der Effekt der Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der Resonanz der Wassermoleküle. Wasser hat seine niedrigste Resonanzfrequenz im flüssigen Zustand erst bei 22,23508 GHz. Die Frequenzwahl ist vielmehr das Ergebnis des dafür reservierten ISM-Frequenzbandes und einer ausreichend hohen Eindringtiefe in Speisen: Je niedriger die Frequenz desto größer die Eindringtiefe, desto schlechter aber auch die Absorption. In der Anfangszeit der ersten kommerziellen Mikrowellenöfen war bei der Frequenzwahl auch entscheidend, kostengünstige und leistungsfähige Röhren für Mikrowellenherde bauen zu können. Die fixe Frequenz eines Magnetrons wird durch seine mechanischen Abmessungen unveränderlich bestimmt und ein Magnetron mit 2,455 GHz lässt sich kostengünstig herstellen.
Die Eindringtiefe von Mikrowellen bei Wasser und bei 2,455 GHz liegt im Bereich weniger Zentimeter. Es könnte allerdings zur Erwärmung von wasserhalten Speisen auch problemlos eine Frequenz von beispielsweise 3.87 GHz oder 850 MHz verwendet werden, mit jeweils geringfügig anderen Eindringtiefen. Da die in Öfen notwendigen Leistungen zur Erwärmung aber relativ hoch sind und Leckstrahlung aus den Mikrowellenöfen nicht vollständig zu vermeiden ist, würden dadurch die meist nachrichtentechnisch genutzten Frequenzen außerhalb der ISM-Frequenzbänder wie beispielsweise Mobilfunk oder Rundfunk massiv gestört werden. Daher ist die Arbeitsfrequenz von Mikrowellenherden auf den dafür reservierten Frequenzbereich um 2,455 GHz festgelegt.
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 Garraum geleitet. 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. Dieser 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.
Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der Speisen zu erreichen, müssen ortsfeste Moden in ihnen verhindert werden. Zu diesem Zweck kommt oft ein sogenannter Stirrer zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein rotierendes, kompliziert geformtes Metallrad 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.
Als zusätzliche Maßnahme 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 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, sodass keine Strahlung durch Berühren oder Gegenstände ausgekoppelt werden kann.
Die Tür hat einen umlaufenden Spalt mit einer Breite eines Viertels der Wellenlänge. 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), an welches das Magnetron über einen kurzen Hohlleiter direkt angeflanscht ist. Strahlung kann daher nicht austreten.
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 kein Mikrowellengerät mit leerem Garraum einschalten.
Aufgrund des unterschiedlichen Wassergehalts verschiedener Speisen (oder Teilen davon) kann es trotz Stirrer 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 ggf. 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 sog. 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.
Metalle im Garraum erhitzen sich je nach ihren Abmessungen unterschiedlich stark: Dünne Metallschichten (z. B. Alufolie, Geschirr mit metallischen Verzierungen, o.ä.) werden schnell heiß; dickere (z. B. Besteck) eher mäßig schnell. Auch ist es entgegen dem verbreiteten Gerücht - Metall sei in der Mikrowelle tabu - möglich, beim Erhitzen einer Flüssigkeit z. B. einen Metall-Löffel hineinzustellen, was auch dem Siedeverzug entgegenwirkt.
Wenn man Metallstücke mit geeigneter Geometrie (z. B. Gabeln) in den Garraum einbringt, können Funkenüberschläge entstehen, wenn die erzeugte elektrische Feldstärke ausreichend ist (≥ 106 V/m).
Gefahren
Die Mikrowellenstrahlung selbst hat eine thermische Wirkung auch auf menschliches Gewebe, die zu Verletzungen (insbesondere Verbrennungen) führen kann. Besonders gefährdet sind dabei schlecht durchblutete Körperteile, welche die Wärme über den Blutkreislauf nicht schnell genug abführen können. Besonders gefährdet ist die Augenlinse. Durch die Erwärmung kommt es zu einer Gerinnung des Eiweißes und zu einer Trübung der Linse (Grauer Star).
Die Hoden und deren Samenbildung sind auch durch Erwärmung mit Mikrowellen gefährdet.
Bei einem intakten Mikrowellenherd treten jedoch nur geringe Strahlungsleistungen aus, von denen praktisch keine Gefahr ausgeht. Mikrowellenherde sind sehr gut gegen Betrieb mit offener Tür geschützt – auch im Fehlerfall.
Da die Tür nicht dicht anliegt (und dies auch nicht darf - siehe oben), besteht eine theoretische Gefahr, wenn metallische Gegenstände in diesen Spalt geschoben werden.
Geräte mit beschädigtem/verbogenem Gehäuse oder Tür sollen nicht oder nur nach einer Leckstrahlungsmessung weiterverwendet werden. Die Entstehung von Röntgenstrahlung in einem Mikrowellenofen ist nicht gegeben.
Die größte Gefahr geht von Reparaturversuchen durch Nicht-Fachleute aus: die im Inneren vorhandene hohe niederohmige Spannung von ca. 5 kV führt bei Berührung zu einem lebensgefährlichen Stromschlag.
Weitere Gefahren entstehen durch Rauchgase verbrannter Speisen und ungeeigneter Gegenstände. Mikrowellenherde verfügen über einen Temperaturschalter am Garraum, wodurch eine Brandgefahr auch dann weitgehend ausgeschlossen wird, wenn sich Speisen im Inneren entzünden.
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.
Wirkungsgrad
Ein Elektroherd setzt 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 das Kochgut, nicht aber den Garraum und dessen Umgebung, weshalb der Mikrowellenherd bei kleineren Portionen energetisch günstiger ist: 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
Therapeutisch werden Mikrowellen zur Gewebeerwärmung auch beim medizinischen Verfahren der Diathermie mit bis zu mehreren hundert Watt eingesetzt.
Im Haushalt sind u. a. Spül- und Putzlappen wahre Brutstätten für Mikroorganismen (siehe auch: Haushaltshygiene). Eine aktuelle Studie[1] (2007) zeigt, dass Mikrowellenherde sich sehr gut 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 ihre Wirkung entfaltet, indem Wassermoleküle zum Schwingen anregt werden, müssen Schwämme oder Tücher in nassem Zustand in die Mikrowelle gegeben werden; die Keime werden also durch die hohe Temperatur und nicht durch die Strahlung als solche abgetötet. Eine Sterilisation empfiehlt sich nach dem Abwischen von potentiell kontaminierten Oberflächen, etwa wenn dort rohes Geflügel- oder anderes Fleisch bearbeitet wurde (Salmonellen!). Nach Ansicht der Forscher kann eine Behandlung in der Mikrowelle das Risiko, sich mit Erregern von Lebensmittelvergiftungen zu infizieren, deutlich senken.
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.
Literatur
- Klaus-Peter Möllmann, Michael Vollmer: Kochen mit Zentimeterwellen: Die Physik der Haushaltsmikrowelle. Physik in unserer Zeit 35(1), S. 38 – 44 (2004), ISSN 0031-9252
Quellen
- ↑ Gabriel Bitton (University of Florida, Gainesville) et al.: Journal of Environmental Health, Bd. 69, S. 17 (Bericht in www.wissenschaft.de, 24.01.2007)
Siehe auch
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Wiktionary: Mikrowellenherd – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen |
- Induktionsherd – ebenfalls Energieeinsparung, besonders bei kleinen Mengen, durch gezieltere Erhitzung (Induktive Erwärmung) als bei Elektroherden
