Mikrowellenherd
Ein Mikrowellenherd ist ein Küchengerät zum schnellen Erhitzen von Speisen. Er wurde 1947 von Percy Spencer bei der Firma Raytheon erfunden.
Geschichte
Dass Essen per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, entdeckte Percy Spencer als er Magnetrons für Radaranlagen bei der Firma 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 realisierte was geschehen war: Das Radar hatte die Schokolade durch die Mikrowellenstrahlung geschmolzen. Popkorn 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 Mikrowellenpopkorn eines der am häufigsten in der Mikrowelle zubereiteten Speisen, andere Verfahren der privaten Zubereitung wurden fast vollständig verdrängt (z. B. Heißluft).
1946 wurde der Mikrowellenherd von der Firma 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 Watt, etwa das dreifache von heute üblichen Geräten. Einer der ersten kommerziellen Mikrowellenherde hatte 1954 eine Leistung von 1600 W und kostete zwischen 2000 und 3000 Dollar. 1965 kam das erste populäre Gerät für 495 $ auf den Markt.
Die meisten Mikrowellenherde wurden anfangs von Firmen hergestellt, die auch für das Verteidigungsministerium arbeiteten, da sie die meiste Erfahrung mit dem Magnetron hatten. Da der Preis in den 70er 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.
Übersetzt aus der englischen Wikipedia
Wirkungsweise
Der Mikrowellenherd verwendet Mikrowellen einer Frequenz, bei der die in Lebensmitteln enthaltenen Wassermoleküle angeregt werden können. Auch spezielles, sogenanntes Bräunungsgeschirr sowie andere verlustbehaftete dielektrische, elektrisch mittelmäßig leitfähige Stoffe sowie ferromagnetische Keramik werden erwärmt.
Mikrowellenherde benutzen elektromagnetische Strahlung von typischerweise rund 2,455 GHz. Bei dieser Frequenz werden die Wassermoleküle (da sie ein Dipolmoment besitzen) zur Schwingung angeregt, also erwärmt. Durch Wärmeleitung werden diese Schwingungen auch auf die übrigen Moleküle übertragen, die sich durch Mikrowellen nicht 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.
Wasser hat jedoch bei 2,455 GHz keine ausgesprochene Resonanzfrequenz; die niedrigste Resonanzfrequenz von freien Wassermolekülen liegt bei 22,23508 GHz. Die Frequenzwahl ist vielmehr das Ergebnis des verfügbaren freien ISM-Frequenzbandes und einer ausreichend hohen Eindringtiefe in Speisen. Dennoch ist die verbleibende Absorption von Wasser bei 2,455 GHz sehr hoch (vgl. Dielektrizitätszahl).
Aufbau
Die Mikrowellen werden mit Hilfe eines Magnetrons erzeugt. Zur Versorgung des Magnetrons ist eine hohe Anodenspannung erforderlich (bis zu 5 kV), die im Gerät mit Hilfe eines Hochspannungstrafos und einer Spannungsverdopplerschaltung erzeugt wird. Dieser Trafo 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 auf einem 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 Verstrebungen, die einer deutlich geringeren Länge als die der Mikrowellen entsprechen. Dadurch kommt es zur Strahlungsauslöschung hinter dem Lochblech. Strahlung kann daher nicht austreten. Die Scheibe verhindert eine Annäherung an das Lochblech, sodass keine Strahlung durch Gegenstände ausgekoppelt werden kann. Der Mikrowellengarraum selber ist vollständig aus Metall bestehend (Faradayscher Käfig). 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 möglich 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) werden schnell heiß; dickere (z. B. Besteck) eher mäßig schnell, besonders wenn man sie "kühlt": Man kann, entgegen dem verbreiteten Gerücht, Metall sei tabu in der Mikrowelle, beim Erhitzen einer Flüssigkeit z. B. einen Metall-Löffel hineinstellen, 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. 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.
Da die Tür nicht dicht anliegt, 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 größte (weil tödliche) Gefahr geht jedoch von Reparaturversuchen durch Nicht-Fachleute aus: dabei ist nicht die Strahlung, sondern die im Inneren vorhandene hohe Spannung (5 Kilovolt), verbunden mit hohem Strom (500mA), die Hauptgefährdung.
Therapeutisch werden Mikrowellen zur Gewebeerwärmung auch beim medizinischen Verfahren der Diathermie mit bis zu mehreren hundert Watt eingesetzt.
Wirkungsgrad
Ein Elektroherd hat einen Wirkungsgrad von fast 100 %. Ein Mikrowellenherd kommt nur auf 50 bis 60 %, der Rest der aufgenommenen elektrischen Energie wird in Abwärme umgesetzt. Andererseits heizt ein Mikrowellenherd gezielt lediglich das Kochgut, nicht aber den Garraum und dessen Umgebung, weshalb der Mikrowellenherd bei kleineren Portionen energetisch günstiger ist: Als Richtwert für einen Grenzwert nimmt man ca. 250 ml Wasser an: Es ist günstiger, 250 ml Wasser im Mikrowellenherd zu erhitzen, als einen Topf zusammen mit gleicher Wassermenge auf einem Elektroherd. Bei größeren Flüssigkeitsmengen ist der Elektroherd sparsamer, da die Aufheizung von Topf und Herdplatte weniger ins Gewicht fällt.
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
