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Meilenstein Vakuumtechnik

Wenn das Nichts zum Schrittmacher für High-Tech wird

| Autor / Redakteur: Ulla Reutner* / Marc Platthaus

Abb.1: Moderne Turbomolekularpumpe: Schon 1916 erfand Professor Wolfgang Gaede den Vorgänger, eine Molekularpumpe. Möglich wurde sie durch seine Entdeckung, dass sich im Hochvakuum die physikalischen Gesetzmäßigkeiten ändern.
Abb.1: Moderne Turbomolekularpumpe: Schon 1916 erfand Professor Wolfgang Gaede den Vorgänger, eine Molekularpumpe. Möglich wurde sie durch seine Entdeckung, dass sich im Hochvakuum die physikalischen Gesetzmäßigkeiten ändern. (Bild: Leybold)

Im luftleeren Raum lässt es sich gut forschen und fertigen. Vom antiken Gedankenexperiment bis zur heutigen Bedeutung des Vakuums war es jedoch ein weiter Weg. Mit der Molekularpumpe legte Wolfgang Gaede Anfang des 20. Jahrhunderts den Grundstein für moderne Vakuumtechnik.

Zahlreiche moderne Analytik- und
Fertigungsmethoden würden ohne
Vakuum nicht funktionieren. Diese Erkenntnis ist für Forscher, Entwickler und Analytiker in unterschiedlichsten Branchen heute wichtiger als der philosophische Exkurs der Antike. Gibt es das Nichts? Genau genommen ist diese Frage immer noch nicht beantwortet. Der leere Raum (lateinisch vacuus, leer), in dem sich kleinste Teilchen bewegen – diese Idee prägte schon das epikureische Weltbild. Doch sie war höchst umstritten.

Weit entfernt von der absoluten Leere sind „vakuumierte“ Produkte, etwa Lebensmittel in einer Vakuumverpackung. Nicht einmal Grobvakuum wird hier erreicht. Überzeugender waren bereits die Experimente von Blaise Pascal und Otto von Guericke. Die beiden großen Erfinder des 17. Jahrhunderts machten die Idee vom Vakuum salonfähig. Dank Pascals Versuch zur „Leere in der Leere“ (französisch vide dans le vide), aber mehr noch dank der so genannten Magdeburger Halbkugeln, in denen mit von Guerickes einfacher Kolbenpumpe ein Unterdruck erzeugt und anschaulich mittels der Kraft zweier Pferdegespanne nachgewiesen wurde, wurde die Existenz des Vakuums nachvollziehbar. Der „horror vacu“, die Abneigung der Natur gegen das Leere, war widerlegt.

Von Guerickes Forscherdrang in der Retrospektive

Nicht von ungefähr gilt von Guerickes Versuch heute als Sinnbild des Forscherdrangs. Wäre die Bedeutung des Vakuums in der modernen Technik nicht so rasant gewachsen, von Guerickes Halbkugeln wären wohl inzwischen in Vergessenheit geraten. Vakua sind für Analytik, Verfahrenstechnik und zahlreiche Fertigungsverfahren so notwendig wie Elektrizität. Und im Idealfall ebenso selbstverständlich vorhanden, zumindest was Grobvakuum (300 – 1 hPa), Feinvakuum (1 – 10-3 hPa) oder Hochvakuum (HV) (10-3 – 10-7 hPa) angeht. Ebenso wenig wie sich Labore und Fabriken einen Stromausfall leisten können, möchten sie den Zusammenbruch des jeweils angelegten Vakuums erleben. Heutige Technik zur Vakuumerzeugung ist daher vor allem eins: unbedingt zuverlässig, und zwar im doppelten Sinn. Anwender gehen davon aus, dass sie jederzeit schnell und unkompliziert Vakuum erreichen können. Und sie erwarten immer häufiger, dass dieses Vakuum definiert rein ist.

Bei der Erzeugung von Hoch- und Ul­trahochvakuum (UHV), bei dem ein Druck von weniger als 10-7 hPa bzw. zwischen 1000 und 10 Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter vorliegen, wird mittels einer mechanischen Vorvakuumpumpe (z.B. Drehschieber- oder Membranpumpen) zunächst ein Unterdruck erzeugt. Nach dieser Vorevakuierung kommen leistungsfähigere Pumpen zum Einsatz. Lange Zeit waren Diffusionspumpen die erste Wahl. Analog zur Strahlpumpe arbeiten sie mit einem Treibmittel, heute in der Regel ein Mineral- oder Silikonöl, das verdampft wird. Die Gasmoleküle diffundieren durch den aus dem Düsensystem strömenden Öldampf und somit in einen Bereich außerhalb des zu evakuierenden Körpers. Dort werden sie von der Vorvakuumpumpe abgepumpt. Abhängig vom Dampfdruck des Treibmittels können so Enddrücke von bis zu 10-9 mbar erreicht werden.

Professor Gaede – Pionier der Vakuumtechnik

Die ersten Varianten solcher Diffusionspumpen arbeiteten mit Quecksilber. Ihre Erfindung wird dem Physiker Wolfgang Gaede zugeschrieben, der heute als Pionier der Vakuumtechnik gilt. Schon 1905 stellte er eine rotierende Quecksilberpumpe vor. Kurz darauf erhielt er einen Beratervertrag von der Firma E. Leybold’s Nachfolger in Köln. Die Zusammenarbeit sollte für die damals schon 56 Jahre alte Firma wegweisend sein. 1850 vom Kaufmann Martin Kothe gegründet, wurde sie 1851 nach dessen Tod vom damals 27-jährigen Ernst Leybold übernommen. Neben dem Handel mit Wein belieferte man Apotheken mit Medizinbehältern und Geräten. 1859 warb das Unternehmen in seinem Katalog mit dem Versprechen, „alle pharmazeutischen, chemischen, physikalischen, mathematischen und technischen Erzeugnisse, die in diesem Buch noch nicht aufgeführt sind oder noch erfunden werden“, genau nach Beschreibungen oder Zeichnungen zu liefern – „möglichst rasch und billig.“ Eine große Offenheit gegenüber neuen Erfindungen kann also wohl Ernst Leybold zugeschrieben werden. Zunächst bezog Leybold sämtliche Geräte von Handwerkern der Umgebung. 1867 begann er schließlich, in der Kölner Innenstadt (Schildergasse) selbst wissenschaftliche Apparate zu fertigen. In den folgenden Jahren wurden Schulen und Universitäten zu wichtigen Abnehmern der physikalischen Apparate.

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Die Firma startete ins neue Jahrhundert unter der Führung der Familie Schmidt. Aus Leybold & Kothe war E. Leybold’s Nachfolger geworden. Man fokussierte sich auf physikalische Apparate, Labormöbel und Stromanlagen für Hochschulen, Behörden und Institute. 1906 schließlich war der damalige Firmeninhaber durch eine Veröffentlichung in der Physikalischen Zeitschrift auf den jungen Physiker Dr. Wolfgang Gaede aufmerksam geworden. Der führte zwar bereits Verhandlungen mit AEG und Siemens.
E. Leybold’s Nachfolger gingen auf seine Forderung von 25% Lizenzgebühren ein – und erhielten so nicht nur das alleinige Recht zur Fabrikation von Gaedes rotierender Quecksilberpumpe. Gaede sollte die Positionierung des Unternehmens nachhaltig prägen. Er konstruierte diverse weitere Vakuumpumpen und beschäftigte sich intensiv mit dem Hochvakuum. Bei Drücken, bei denen die mittlere Weglänge der noch vorhandenen Moleküle den Behälterdimensionen entsprach, diese also mit keinen anderen Molekülen mehr kollidierten, griffen die bis dahin bekannten Prinzipien nicht mehr.

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