Vakuumpumpen sind Verdichter, welche luftleere Räume ohne Flüssigkeit und Gasmoleküle erzeugen. Ob beim Härten von Werkstoffen, für die Mikrochipproduktion oder im Teilchenbeschleuniger: Zahllose Prozesse in Wissenschaft, Forschung und Produktion wären ohne Vakuum undenkbar. Vakuumpumpen sorgen dabei für die Entgasung. Doch wie lässt sich ein Vakuum erzeugen?
Vakuumpumpen
Vakuum: Definition und Bedeutung
Umgangssprachlich meint „Vakuum“ einen luftleeren Raum, also einen Raum, in dem sich keine Teilchen befinden. Der Begriff leitet sich vom lateinischen Adjektiv vacuus für „leer“ ab. Tatsächlich lässt sich ein vollkommenes Vakuum weder technisch erzeugen, noch gibt es nach menschlichem Wissen ein solches: Selbst der Weltraum ist ein zwar geringfügig, aber doch teilweise gefüllter Raum.
Nach der DIN-Norm DIN 28400-1 wird von einem Vakuum gesprochen, sobald ein Druck von weniger als 300 mbar erreicht wird. Technisch werden Gaszustände bei einem Druck als Vakuum bezeichnet, der wesentlich niedriger ist als der Atmosphärendruck. Dabei wird abhängig vom Restdruck in verschiedene Grade unterschieden zwischen:
• Grobvakuum (300 bis 1 hPa)
• Feinvakuum (1 bis 10-3 hPa)
• Hochvakuum (10-3 bis 10-7 hPa) und
• Ultrahochvakuum (10-7 bis 10-12 hPa)
Die Spannweite der verschiedenen Grade eines Vakuums ist sehr weit. Während umgangssprachlich als „vakuumiert“ bezeichnete Verpackungen von Lebensmitteln nicht einmal die Dimension des Grobvakuums erreichen, entspricht das Ultrahochvakuum, wie es etwa in Teilchenbeschleunigern erreicht wird, Drücken, die sonst nur im Weltraum erreicht werden.
Vakuumpumpen: Funktionsprinzip ist für alle Pumpentypen gleich
Es gibt viele verschiedene Bauarten von Vakuumpumpen – je nach Anwendung und Aufgabe. Allerdings gibt es nur zwei Grundprinzipien: Vakuumpumpen werden daher in
• Gastransfervakuumpumpen und
• gasbindende Vakuumpumpen
unterschieden. Die Bauarten unterscheiden sich somit auch prinzipiell von Pumpen im eigentlichen Sinn, die dem Transport von Flüssigkeiten dienen. Technisch betrachtet sind Vakuumpumpen deshalb keine Pumpen, sondern Verdichter.
Gastransfervakuumpumpen befördern Gase durch Impulse, die auf die Teilchen übertragen werden, oder in einem geschlossenen Arbeitsraum.
Gasbindende Vakuumpumpen hingegen befördern Gasmoleküle in eine abgeschlossene Kammer.
Beide Bauarten zielen darauf ab, so viele Teilchen wie möglich aus einer Kammer zu entfernen. Das Ergebnis ist ein extremer Unterdruck.
Verdrängerpumpen erzeugen ein Vakuum in einem abgeschlossenen Arbeitsraum, dessen Größe sich im Laufe des Arbeitsprozesses ändert: Niedrigerer Druck entsteht beim Ansaugen und Transportieren von Gasen, höherer Druck beim Ausschieben und beim Druckwechsel. Das Gas tritt in den Arbeitsraum ein, woraufhin dieser verschlossen wird. Dabei wird es verdichtet und anschließend wieder ausgestoßen. Zu den Varianten der Verdrängerpumpe für die Vakuumerzeugung gehören die Sperrschieberpumpe und die Drehschieberpumpe. Auch das Prinzip der Membranpumpe wird für die Erzeugung eines Vakuums eingesetzt.
Molekularpumpen bestehen aus einer schnell drehenden Rotorscheibe in einem runden Gehäuse, einem Ansaugstutzen als Einlass und einem Vorvakuumstutzen als Auslass. Wenn Teilchen angesaugt werden, adsorbieren und desorbieren sich auf dem Rotor und treten durch den Vorvakuumstutzen aus. Turbomolekularpumpen (vereinfacht auch Turbopumpen genannt) verfügen über abwechselnd angeordnete Rotoren und Statoren. Die Rotoren erreichen Drehzahlen von bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute, sodass eine sehr hohe Pumpleistung erreicht werden kann.
Kryopumpen enthalten zur Gaskondensation eine stark gekühlte Oberfläche und werden deshalb auch als Kondensationspumpen bezeichnet. Für die Kühlung wird oft Helium verwendet, bei manchen Modellen kommen aber auch Wasserstoff oder Stickstoff zum Einsatz.
Sorptionspumpen nutzen Aktivkohle oder sogenannte Zeolithe, damit das zu evakuierende Gas sich an der Oberfläche im Inneren der Pumpe abscheidet.
Bei Strahlpumpen hingegen wird Gas mit einer Düse ausgestoßen. Der Impuls überträgt sich auf Teilchen, sodass sie transportiert werden.
Eine Besonderheit stellen Flüssigkeitsringvakuumpumpen dar: Auch diese Bauart funktioniert nach dem Prinzip des Verdichters. Der Name rührt daher, dass die Flüssigkeitsringpumpe nicht nur der Erzeugung eines Vakuums dient, sondern Gase in einem Vakuum fördert.
Vom Grobvakuum über das Feinvakuum bis hin zu Hochvakuum und Ultrahochvakuum werden Vakuumpumpen für die verschiedensten Einsätze in Produktion und Forschung eingesetzt. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich von der Wissenschaft über die Pharma- und Medizintechnik und die allgemeine Verfahrenstechnik bis hin zur Herstellung von Photovoltaikmodulen und Mikrochips.
Viele Produkte, deren Verwendung selbstverständlich geworden ist, wären ohne die Bedingungen im Vakuum also nicht herzustellen, etwa Computer und Smartphones. Doch auch im Alltag begegnet einem oft Vakuumtechnik: zum Beispiel bei der Kältemittel- und Klimatechnik .
Meist geht es bei den Anwendungen darum, einen möglichst reinen Raum zu erzeugen, in dem keine Teilchen die Produktionsqualität stören. So können etwa in der Halbleiterproduktion schon kleinste Verunreinigungen das Produkt unbrauchbar machen, da Mikrochips extrem kleine Strukturen aufweisen. Im Probenraum eines Elektronenmikroskops würden Gasmoleküle wiederum die untersuchte Probe beeinflussen.
Während zur Erzeugung eines Grobvakuums eine einfache Vakuumpumpe genügt, ist es für extremeren Unterdruck nötig, mehrere Pumpen in Reihe zu schalten. Die erste Pumpe der Reihe – häufig wird dafür eine Drehschieberpumpe verwendet – erzeugt dann zunächst ein sogenanntes Vorvakuum, sodass die darauffolgende Pumpe – meist eine Turbomolekularpumpe – weniger Gasmoleküle aus dem Raum befördern muss.
Ob im Alltag oder in der hochwissenschaftlichen Forschung: Aus vielen Bereichen sind Vakuumpumpen heute nicht mehr wegzudenken. Indem sie einen luftleeren Raum erzeugen, in dem so wenig störende Gasmoleküle wie möglich vorhanden sind, machen sie Prozesse sicherer, zuverlässiger und effizienter.
Da diese Maschinen keine Pumpen im herkömmlichen Sinne darstellen, gibt es spezialisierte Hersteller für Vakuumpumpen auf dem Markt.
