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Der Einzug der Mikrowellentechnik ins Labor
Vom Flugzeug über die Küche ins Labor - Die Geschichte der Mikrowelle

Dr. Björn Lippold, Chemie.DE Information Service GmbH

Die Historie der Mikrowellentechnik erscheint wie das Musterbeispiel einer wissenschaftlichen Entwicklung. Wie bei vielen technischen Innovationen waren die Motivation zur Entwicklung der technischen Grundlagen zur Erzeugung von Mikrowellen militärische Interessen. Bereits 1939 entwickelten die englischen Wissenschaftler John Randall und Harry Boot die Kernkomponente zur Mikrowellenerzeugung, das Magnetron, für den Bau kurzwelliger Radargeräte. Zwei Jahre später setzte die Royal Air Force die neuen Radargeräte in Flugzeugen ein, und das Magnetron wurde zu einem wichtigen Kriegsgeheimnis der Engländer.

Chronologie - Mikrowellen -

1939 John Randall und Harry Boot entwickeln für die Royal Air Force das Magnetron als einen leistungsstarken Sender für kurzwellige Radargeräte. 1945 Percy Spencer entdeckt zufällig das Prinzip des Mikrowellenkochens durch einen schmelzenden Schokoriegel. 1947 Raytheon stellt den ersten Mikrowellenofen Radarange vor, der $2.000-3.000 kostet. 1967 Raytheon präsentiert den ersten 100-Volt Tisch-Mikrowellenherd vor, der unter $500 kostet. 1986 Erste Veröffentlichungen über Mikrowellentechnik zu Beschleunigung organischer Synthese. Ende 90er Mikrowellentechnik bzw. Microwave-Assisted Organic Synthesis (MAOS) wird zu einer etablierten Methode.

Bei der Perfektionierung des Magnetrons wurde trotz ihrer geringen Größe auch die Firma Raytheon, ein amerikanischer Hersteller von elektrischen Röhren, durch eine Empfehlung des MIT in die Forschungen einbezogen. Da einer der Ingenieure von Raytheon, Percy L. Spencer, den Herstellungsprozess der Magnetronröhren maßgeblich verbessern konnte, bekam Raytheon einen Vertrag für die Herstellung der Magnetronröhren und mauserte sich schließlich zu deren wichtigstem Hersteller.

Die Erkenntnis, dass sich Mikrowellen nicht nur für militärische Zwecke sondern auch im Haushalt zum Kochen eignen, geht auf eine der klassischen Zufallsentdeckungen zurück. Nachdem 1945 bei einem Experiment ein Schokoriegel in der Tasche von Spencer zu schmelzen begann, experimentierte der Ingenieur mit der Erhitzung anderer Lebensmitteln durch Mikrowellenstrahlung. Nur zwei Jahre später wurde der erste Mikrowellenherd "Radarange" vorgestellt, der mit einem Preis von über 2.000 Dollar zunächst aber nur wenig verkauft wurde. Erst mit den ersten Tischgeräten, die Mitte der 60er auf den Markt kamen und weniger als 500 Dollar kosteten, konnte die Mikrowelle ihren Siegeszug in der Küche antreten.

Auch wenn in chemischen Labors mit der Mikrowellentechnik bereits in den späten 70er Jahren experimentiert wurde und Mitte der 80er Jahre erste Einsatzmöglichkeiten in der organischen Synthese erschlossen wurden, ist ein Durchbruch dieser Methode erst Ende der 90er Jahre zu verzeichnen. Trotz vielfältiger neuer Möglichkeiten insbesondere in der organischen Synthese lief die technische Entwicklung von auf den Laborbedarf zugeschnittenen Mikrowellen erst langsam an. Inzwischen sind jedoch verschiedene ausgereifte Laborgeräte erhältlich. Mit einer kontinuierlichen Senkung der Preise dieser Geräte ist zu erwarten, dass sich die Mikrowellentechnik auf Dauer gegen konventionelle Heizpilze und -platten durchsetzen wird, so wie diese es gegenüber dem Bunsenbrenner getan haben.

Das Magnetron lässt Dipole oszillieren - Das Funktionsprinzip
Die Kernkomponente bei der Mikrowellenerzeugung ist das Magnetron, das aus einer metallischen Vakuumröhre mit einem Permanentmagneten besteht. An einer Glühkathode werden Elektronen erzeugt, die durch das Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Durch die Kollision mit der in periodischen Abständen eingeschnittenen Außenwand der Röhre wird das elektrische Feld umgepolt und so Mikrowellen gewünschter Frequenz erzeugt.

Die Energie der erzeugten Mikrowellenstrahlung reicht aus, um Rotationszustände in dipolaren Molekülen auszulösen. Wenn das angelegte Feld mit der entsprechenden Frequenz oszilliert, versuchen sich die Moleküle in dem Wechselfeld auszurichten, wodurch Energie durch molekulare Reibung und dielektrische Verluste in Wärme umgesetzt wird. Eine dipolare Substanz, z. B. Wasser, wird dadurch schnell und in-situ aufgeheizt. Durch das Fehlen von Kontaktoberflächen, an denen die Wärme übertragen wird, können Lösungsmittel ohne Sieden überhitzt werden, wobei Temperaturen von bis zu 100 °C über dem Siedepunkt erreicht werden können.

Schnelle Synthesen - Mikrowellen im Einsatz in der Chemie
Nach der Faustregel, dass jede Temperaturerhöhung um 10 °C die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt, wird bei der so genannten Microwave-Assisted Organic Synthesis (MAOS) eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit erreicht. Tatsächlich lassen sich Reaktionen mittels Mikrowellentechnik sogar um den Faktor 100 oder 1000 beschleunigen und die Zeiten von Tagen auf Minuten verkürzen. Die dabei zugrunde liegenden Effekte sind noch nicht vollständig verstanden, da angenommen wird, dass zusätzlich nicht-thermische Effekte auftreten.

Bedingt durch diese Vorteile bieten mehrere Hersteller für die organische Synthese maßgeschneiderte Mikrowellensysteme an, die sich wachsender Beliebtheit erfreuen. Besonders im Bereich der Pharmaindustrie, die einen hohen Durchsatz an neuen organischen Verbindungen fordert, ist der Zeitvorteil gegenüber konventionellen Wegen ein wichtiges Argument für die Nutzung, so dass der Siegeszug der Mikrowelle wahrscheinlich nicht in der Küche enden wird.