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Meilenstein Vakuumtechnik Wenn das Nichts zum Schrittmacher für High-Tech wird

Autor / Redakteur: Ulla Reutner* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

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.

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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)

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.

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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.

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.

Im Hochvakuum ändern sich physikalische Gesetze

Die große freie Weglänge der verbleibenden Moleküle im Hochvakuum (10 cm bis 1 km) „änderte“ die bis dahin bekannte Physik. Daher auch die Möglichkeit der „Molekularluftpumpe“, deren Einsatz ein Vorvakuum bedingte. Letztlich ist diese nichts anderes als eine rotierende Pumpe, bei der der Zylinder die Moleküle mitreißt, die sich in einer Nut im Gehäuse ansammeln. Die Besonderheiten des Hochvakuums – so zeigte Gaede – führen dazu, dass sich Gasmoleküle an den Wänden verdichtet ansammeln („Gashaut“). Der Erfinder nutzte das Reibungsprinzip. Ein Kolben, der eine gewisse Gasmenge vom zu evakuierenden Raum abschließt, ist in einer Molekularpumpe überflüssig. Die Moleküle werden durch die Haftung an der Wand mitgerissen. So entstand ein völlig neuer Typ von Hochvakuumpumpe.

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Gaedes Erfindungen der Molekularluftpumpe und der Diffusionspumpe waren wichtige Produkte der schließlich auf Vakuumtechnik spezialisierten Firma. Doch auch etliche andere Firmen entwickelten Diffusionspumpen ähnlicher Bauart. Das Langmuir-Patent für eine Kondensationsquecksilbervakuumpumpe, gehalten von General Electric, stand etwa dem Verkauf im Ausland entgegen. In Deutschland war es ein Patent von Max Volmer, dessen Vakuumpumpe mehrere Stufen mit dem gleichen Dampf betrieb. Dank eines für E. Leybold’s Nachfolger positiv verlaufenden Patentstreits einigte man sich; in Folge durfte Leybold eine von Gaede konstruierte mehrstufige Diffusionspumpe vertreiben. Selbst den internationalen Markt erschloss der damalige Firmenchef Alfred Schmidt, indem er Lizenzen der Langmuir-Patente erwarb.

Die Entwicklung lag lange Zeit in den Händen Gaedes. Gegen seinen Widerstand erwarb die Firma 1932 schließlich Lizenzen einer englischen Erfindung: die Öldiffusionspumpe, mit der Leybold den Hochvakuumsektor weiter ausbaute. Mit der Erfindung des Gasballastprinzips zeigte Gaede einmal mehr, wie wertvoll er für die Vakuumtechnik war. Durch dieses heute noch bedeutsame Prinzip gelingt es, (Wasser-)Dampf aus der Vakuumpumpe auszutreiben, indem man ihn durch ein nicht kondensierendes Gas verdrängt. Doch das Patent lief ab, bevor es die Firma zu Geld machen konnte.

Rasant voran ging es mit der Vakuumtechnik nach dem zweiten Weltkrieg – mit schlagkräftigen, wohl durch den inzwischen verstorbenen Gaede inspirierten Entwicklungsteams. Der Wirtschaftsaufschwung und zahlreiche neue Anwendungsfelder führten zu Verbesserungen. Die Firma Leybold als einer der weiterhin führenden Anbieter von Vakuumbauelementen perfektionierte und erweiterte die Drehkolbenpumpenreihe und brachte fraktionierte Öldiffusionspumpen heraus. 1957 wurde bereits das CERN mit Öldiffusionspumpen beliefert. Im selben Jahr zeigte das Unternehmen mit einer Kombination aus Wärmeleitungs- und Penning-Vakuumeter Neues im Sektor Messtechnik. Es folgten Partialdruckmessgeräte und in den frühen 1960er Jahren schließlich Titanverdampferpumpen, also Pumpen, bei denen Titan im Hochvakuum verdampft wird. Es schlägt sich auf den Wandungen der Pumpe nieder und bindet Gasmoleküle. Ähnlich funktionieren Ionenzerstäuberpumpen, ebenfalls eine Erfindung dieser Zeit. Bei ihnen ionisiert man die verdampften Titanatome durch Gasentladung in einem Magnetfeld, um die Wirksamkeit zu steigern. Schließlich kamen Anfang der 1960er auch Kryopumpen und 1965 der erste Heliumlecksucher von Leybold auf den Markt.

Sauberes Ultrahochvakuum dank Turbopumpe

Noch bis in die 1970er sollte es dauern, bis Leybold die Turbomolekularpumpe ins Portfolio aufnahm. Das von Professor
Gaede entdeckte Prinzip der molekularen Strömung gilt auch bei dieser Pumpe, die 1956 von Willi Becker, Entwicklungsleiter beim Leybold-Wettbewerber Pfeiffer, erfunden wurde. Rotor- und Statorscheiben wechseln sich im Pumpengehäuse ab. Die Rotorscheiben wirken wie flache Schaufeln, die wie Ventilatorblätter leicht gekippt sind. Die fest mit dem zylinderförmigen Gehäuse verbundenen Statorscheiben sind spiegelverkehrt gekippt. Ein Vakuumflansch bildet die Verbindung zum Rezipienten. Bewegen sich die Rotorschaufeln mit der mittleren Geschwindigkeit der zu fördernden Gasteilchen, übertragen Sie einen Impuls auf diese und es kommt zu einem Molekularstrom in Rotationsrichtung – vorausgesetzt, das Vorvakuum war so hoch, dass die freie Weglänge der Gasteilchen in etwa der Abmessungen der aktiven Teile beträgt. Diese Molekularpumpe, die im Inneren einer Turbine ähnelte, lief stabiler als Gaedes Entwicklung. Und sie lieferte ein „sauberes Hochvakuum“, eines, das nicht durch Öl oder andere Partikel verunreinigt sein konnte.

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Turbomolekularpumpen, die über die Jahre immer leistungsfähiger, robuster und auch kleiner wurden, bildeten die Grundlage für den Fortschritt in der Elektronik und der Analytik. Je nach Ausführung erreichen sie Enddrücke bis zu
10-10 hPa.

Weitere Optimierungen wie wartungs- und verschleißfreie Magnetlager und die immer leichtere Bedienbarkeit (s. Interview ab S. 13) eröffneten der neuen Pumpenart seit Ende des 20. Jahrhunderts weitere Anwendungen.

Heute bietet Leybold diverse Ausführungen, darunter eine magnetisch gelagerte Variante mit integriertem Frequenzwandler und Netzteil, die Plug-and-Play möglich macht. Die magnetische Rotor-Lagerung reduziert Geräusche und Vibrationen und garantiert weitgehende Kohlenwasserstoff-Freiheit.

Die Applikation wird zum Entwicklungstreiber

Doch auch die anderen Pumpenprinzipien profitierten von Weiterentwicklungen. So kreierte das Leybold-Entwicklungsteam im Jahr 2001 trocken verdichtende Vorvakuumpumpen, die nach dem Schraubenprinzip arbeiten. Für den industriellen Bereich gibt es sie auch in explosionsgeschützter Ausführung. Die Anpassung der Ausstattung einer Pumpenart an die Anwendung kann wohl allgemein als wichtiger Treiber von Weiterentwicklungen in der ersten Dekade des 20. Jahrhunderts gelten. So gibt es Schraubenpumpen, die besonders für Kurztaktzyklen in Schleusen oder zum Evakuieren großer Rezipienten geeignet sind. Oder solche, die sich für das Fördern von Medien eignen, die in der Photovoltaik- und Flachbildschirm-Produktion typisch sind.

Auch wenn der 1945 gestorbene Gaede nicht mehr an der Perfektionierung der Vakuumtechnik, wie wir sie heute kennen, beteiligt war – seine Erfindungen, insbesondere die Diffusions- und die Molekularpumpe, waren die Grundlage.

Insbesondere in der Firma Leybold ist heute noch sein Erfindergeist gegenwärtig. Letztlich waren es aber vor allem die Anwendungen in der Vakuumtechnik, die durch seine Erkenntnisse möglich wurden und die heute Treiber für weitere Entwicklungen sind. Auch für 2017 plant Leybold wieder eine Innovation, deren Features sich an den Bedürfnissen der Kunden orientiert: eine trocken verdichtende mehrstufige Vorvakuumpumpe für den Analysenmarkt. Die Wälzkolbenpumpe arbeitet deutlich leiser als andere Pumpen in der Größenklasse 40 bis 60 m³/h; sie ist zudem kompakt und wartungsarm und verfügt über ein Gasballast-Ventil. Zusammen mit einer 2014 vorgestellten Turbomolekularpumpen-Familie und einem 2016 lancierten Hochvakuumturbopumpsystem wurde sie eigens für Anwendungen wie Massenspektrometrie und Elek­tronenmikroskopie entwickelt.

Die hohen Anforderungen aus dem Sektor Labor und Analytik werden sicherlich auch künftig den Innovationsprozess des Unternehmens vorantreiben.

* Dr. U. Reutner: Fachjournalistin Technik & Wissenschaft, 86916 Kaufering

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