Das Wort Vakuum (von lat. vacuus (leer, frei)) wird in verschiedenen Bedeutungen gebraucht:

• Umgangssprachlich: Vakuum ist ein materiefreier Raum.
• Technik und Klassische Physik: Vakuum bezeichnet den Zustand eines Fluids in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen.
• Quantenphysik: In der Quantenfeldtheorie wird der Zustand niedrigster Energie mit Vakuumzustand bezeichnet.
• Fachzeitschrift im naturwissenschaftlichen Verlag Wiley-VCH

Vakuumtechnik

Auf der Erde kann man ein Vakuum herstellen, indem man einen abgeschlossenen Hohlraum, den Rezipienten, vom darin enthaltenem Gas mittels geeigneter Vakuumpumpen befreit. Das einfachste Gerät zum Herstellen eines (minderwertigen) Grobvakuums ist die Wasserstrahlpumpe. Spezialpumpen oder Kühlfallen reduzieren die Gasmenge weiter. Während ein vollständig materiefreier Raum nicht herstellbar ist, können technische Vakua in verschiedenen Qualitäten hergestellt werden. Man unterscheidet in der Technik unterschiedliche Qualitäten der erzielten Vakua nach der Menge der verbleibenden Materie (gemessen durch den Druck in Pa = Pascal oder mbar = Millibar):

Messgeräte zur Bestimmung des Gasdrucks in einem Vakuum nennt man Vakuummeter.

Technische Vakua finden Anwendung in der Forschung, in der Elektronenmikroskopie, bei der Erschmelzung von metallischen Werkstoffen und in der Fertigung von Mikroelektronik. Auch im Innenraum von Bildröhren von Fernsehern oder Monitoren herrscht Hochvakuum vor, um die Streuung der Elektronenstrahlen gering zu halten.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln mittels Vakuum. Diese werden dann von gasdichten Kunststoffhüllen umschlossen und sind durch die Abwesenheit des Alterungs- und Verwesungsprozesse unterstützenden Luftsauerstoffs länger haltbar. Neben Erdnüssen werden auch Fleisch und Kaffee sowie Käse 'vakuumiert'.

Vakuum im Weltraum

Das im Weltraum im interstellaren Raum oder im intergalaktischen Raum auftretende Vakuum ist im Allgemeinen dünner als jedes auf der Erde herstellbare Vakuum. Allerdings ist auch der Weltraum nicht völlig leer, sondern enthält durchschnittlich ein Teilchen pro cm³ und ist "Träger" von statischen elektromagnetischen und gravitativen Feldern sowie von Photonen.

Geschichte des Vakuums

Die Idee des Vakuums stammt wahrscheinlich von Leukipp oder seinem Schüler Demokrit und war eine tragende Säule des Weltbildes der epikureischen Philosophie. Diese nahmen an, dass die Materie aus unteilbaren kleinsten Teilchen (atomos) aufgebaut ist, die sich im leeren Raum, also im Vakuum, bewegen und nur infolge der Leere des Raumes die Möglichkeit zur Bewegung und Interaktion haben. Diese Annahme wurde aber vor allem von Aristoteles und seiner Akademie abgelehnt, da sich Aristoteles eine Bewegung ohne treibendes Medium nicht denken konnte; man dachte sich den Raum zwischen den Gestirnen daher von 'Äther' erfüllt. Auch die Platonische Schule lehnte es ab, an das nicht-Seiende zu glauben. Im Mittelalter galt Aristoteles als Autorität. Obwohl bereits wieder von Giordano Bruno aufgegriffen und verteidigt, konnte sich die Idee vom Vakuum erst mit den ersten Demonstrationen durchsetzen.

Das erste Vakuum wurde von Evangelista Torricelli mit der Hilfe einer Quecksilbersäule in einem gebogenen Glasrohr hergestellt. Populär wurde das Vakuum durch Otto von Guericke. Er spannte Pferde an zwei Metallhalbkugeln (siehe Magdeburger Halbkugeln), aus denen er vorher die Luft herausgesaugt hatte. Der beobachtete Effekt ist allerdings weniger eine Eigenschaft des Vakuums als vielmehr des Drucks der umgebenden Luft.

Die Streuversuche von Ernest Rutherford (1911) zeigten, dass Alpha-Teilchen eine Goldfolie ohne Widerstand durchqueren können. Dies zeigte, dass die Masse von Atomen im Kern zentriert ist. Darauf aufbauend entwarf Niels Bohr ein Modell, nach dem die Elektronen den Atomkern umkreisen, wie die Planeten die Sonne. Im Inneren der Atome schien also ein Vakuum zu herrschen. Obwohl man diese Sichtweise noch gelegentlich in der Literatur antrifft, gilt das Innere der Atome heute als von den Aufenthaltsbereichen der Elektronen (Orbitale) ausgefüllt.

Das Vakuum in der modernen Physik

In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum als ein dynamisches Medium mit vielfältigen Eigenschaften (siehe Vakuumfluktuationen). Auch die in der heutigen Kosmologie wieder notwendige kosmologische Konstante soll ihren Ursprung in den Vakuumfluktuationen haben.

Eigenschaften und Anwendungen des Vakuums

Licht, Teilchen, Festkörper, elektrische, magnetische und Gravitationsfelder breiten sich im Vakuum aus; dagegen benötigen Schallwellen ein materielles Medium und können sich daher im Vakuum nicht ausbreiten. Wärmestrahlung kann sich als elektromagnetische Welle auch im Vakuum fortpflanzen. Dagegen führt die Absenkung des Drucks zur Verminderung der materiegebundenen Wärmeübertragungsprozesse. Die Verringerung von Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmeleitung (Phononen) findet Anwendung in der Thermoskanne (Dewar-Gefäß).

Die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit im Hochvakuum wird in Vakuumkondensatoren der Hochleistungselektronik und dem Hochspannungsteil von evakuierten Röntgenröhren genutzt. Allerdings sinkt zunächst bei Absenkung des Drucks ausgehend vom Normalluftdruck die Durchschlagsfestigkeit. Das Minimum der Durchschlagsfestigkeit in Luft wird bei einem Druck von 1 mbar erreicht, wo sie nur noch ca. 0,3 kVcm^-1 beträgt. Wird der Druck weiter in Richtung Hochvakuum abgesenkt, vergrößert sich die Durchschlagsfestigkeit wieder exponentiell.

Das Vakuum ist kein Lebensraum, da Lebewesen auf Materie zu ihrem Stoffwechsel angewiesen sind. Allerdings können viele Lebewesen (Bakterien, Pflanzen) einen gewissen Zeitraum im Vakuum überleben. Höhere Lebewesen können im Vakuum nicht überleben, selbst wenn sie nicht zerplatzen, da das Blut aufgrund der Absenkung des Siedepunktes zu kochen beginnt.

Beim Gefriertrocknen etwa von Kaffee, Tee, Gemüse oder Blut handelt es sich jedoch um Sublimation, bei der das Eis direkt in die Gasphase übergeht; es gibt hierbei keine flüssige Phase, die sieden könnte, so dass eine Siedepunktserniedrigung durch das Vakuum hier irrelevant ist.

Viele Stofftrennverfahren in der Chemie basieren ebenfalls auf der Vakuumtechnik.

Literatur

• Max Wutz, Hermann Adam, Wilhelm Walcher, Karl Jousten: Handbuch Vakuumtechnik. Theorie und Praxis. Vieweg, ISBN 3-528-54884-3
• Wolfgang Pupp, Heinz K. Hartmann: Vakuumtechnik. Fachbuchverlag Leipzig, ISBN 3-446-15859-6
• Karin Wey, Ralph Jürgen Peters: Geschichte der Vakuumtechnik. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 14(3), S. 180 - 183 (2002),
• Heinz-Dieter Bürger: Die Geschichte der Vakuumkühlung. In: Vakuum in Forschung und Praxis. 16(2), S. 67 - 70 (2004),
• Henning Genz: Nichts als das Nichts. Die Physik des Vakuums. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2004, ISBN 3-527-40319-1

Weblinks

• Deutsches Museum Bonn - Abbildung der Halbkugeln von Guericke
• Projektinformation: Vakuum-Isolation in Fassadenelementen
• Vakuumschule der FH-Frankfurt - Schule für Vakuumtechnik (FH Frankfurt am Main / FH Gießen-Friedberg in Zusammenarbeit mit der DVG).
• Englisches FAQ: Explosive Dekompression und ihre Effekte auf den Körper.

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