Ein Vakuum konnte man sich damals allerdings noch nicht vorstellen: Man ging davon aus, dass ein luftleerer Raum mit einem „Äther“ gefüllt sein müsse. Erst 1644 stellte der italienische Physiker Evangelista Torricelli das erste Vakuum her. Blaise Pascal und Otto von Guericke befassten sich wenige Jahre darauf mit dem gleichen Thema und leisteten dabei wertvolle Arbeit für die Grundlagenforschung. Die Magdeburger Halbkugeln von Guerickes begeisterten als populärwissenschaftliches Phänomen die Massen und trieben die Forschung immer weiter voran.
Physikalische Eigenschaften des Vakuums
Von der Luftpumpe über die Glühlampe bis hin zum Ottomotor basieren zahlreiche Innovationen auf der Vakuumtechnik. Auch in der Kühlung von Gasen und anderen Stoffen ist diese Technologie unersetzlich. Im Vakuum breiten sich Licht, Teilchen sowie elektrische, magnetische und Gravitationsfelder aus. Schallwellen hingegen können ohne ein materielles Medium nicht weitergeleitet werden. Wärmestrahlung wird im Vakuum zur elektromagnetischen Welle und kann sich daher auch hier fortsetzen. Durch seine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit wird ein Hochvakuum etwa bei Vakuum-Leistungsschaltern oder in Vakuumkondensatoren eingesetzt.
Wie funktioniert die Vakuumtechnik zur Kühlung?
Die Vakuumtechnik ist der Einsatz eines Vakuums oder Hochvakuums, um Anlagen, Speicher oder Transferleitungen optimal zu isolieren. Kryogen wird das Prinzip durch die Herstellung einer möglichst dünnen Vakuumumgebung im Inneren der Leitungen oder Anlagen. Diese werden doppelwandig ausgeführt und die vollständige Raumluft zwischen beiden Wänden entzogen. Auf diese Weise ergibt sich eine Druckdifferenz zwischen der Vakuumumgebung und der Außenluft, wodurch ein großer Teil der Umgebungswärme vom Leitungssystem beziehungsweise der Anlage ferngehalten wird. Diese Wirkungsweise lässt sich mit Grundsätzen der Physik erklären.
Alle physikalischen Werkstoffe inklusive aller Gase erwärmen sich auf drei unterschiedlichen Arten.
• Konduktion ist die Wärmeweiterleitung durch direkten Kontakt. Alleine die Berührung zweier Objekte sorgt dafür, dass die Temperatur vom wärmeren zum kälteren Objekt übertragen wird. Dies ist nicht nur bei festen Stoffen der Fall, sondern auch bei Flüssiggasen.
• Konvektion ist Wärme, die aus der Bewegung von Molekülen resultiert. Je stärker diese Bewegung ausfällt, desto höher die Temperatur.
• Strahlung ist die dritte Art der Wärmeweiterleitung. Strahlungswärme geht von der Sonne aus, aber auch von jeder anderen Wärmequelle.
Die Vakuumtechnik wirkt der Konvektion entgegen. Anders ausgedrückt: Sie stoppt die Molekülbewegung in der Raumluft, die die gekühlte Substanz umgibt. So wird die Entstehung von Wärme verhindert. Durch die Kombination dieser Methode mit weiteren Techniken, die ebenfalls der Strahlung und Wärmeleitung entgegenwirken, erzeugt man eine fast optimale Dämmschicht. Das Eindringen von Wärme wird beinahe vollständig blockiert und der Stoff bestmöglich gekühlt. Häufig wird die zusätzliche Isolierung des Vakuums durch eine Kombination aus Aluminiumfolie und Glaspapier erreicht. Auch der Abstand zwischen den Materialschichten sorgt hier für eine zusätzliche Isolierung.
Kryogene Vakuumtechnik in der praktischen Anwendung
Beispiele für die Anwendung der kryogenen Vakuumtechnik sind mannigfaltig. Hier können daher nur einige wenige genannt werden. Einen besonderen Schwerpunkt machen kryogene Gase aus, die mittels Vakuumtechnik erzeugt und später industriell, wissenschaftlich oder medizinisch Anwendung finden. Der Gefriertunnel dient als lange, geschlossene Struktur dazu, Produkte schnell und effektiv einzufrieren. Lebensmittel werden im Gefriertunnel zumeist mit flüssigem Stickstoff besprüht, der eine Temperatur von -196° C aufweist. In der Automobilindustrie nutzt man das Verfahren des Kälteschrumpfens, um Teile des Motors exakt einzupassen. Nach dem Erwärmen der zuvor extrem tiefgekühlten Komponenten sind diese bestmöglich an Ort und Stelle fixiert. Ein drittes Beispiel ist die Nutzung von Flüssiggas als Kraftstoff in der Heizung oder im Fahrzeug. Hier ist davon auszugehen, dass diese Technik auch mittel- bis langfristig weiterbestehen wird, nicht zuletzt aufgrund der vergleichsweise hohen Energieausbeute und der relativ geringen Umweltbelastung. Die genannten Anwendungen sind nur möglich durch vakuumisolierte Transferleitungen, in denen kalte Flüssiggase mit geringstem Energieverlust an den Ort ihrer Bestimmung weitergeleitet werden.
