Mikrowellenherd

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Mikrowellenherd von ca. 1988

Ein Mikrowellenherd, auch Mikrowellenofen oder Mikrowellengerät (kurz Mikrowelle), ist ein Gerät zum schnellen energiesparenden Erwärmen von Speisen, Flüssigkeiten und anderen geeigneten Stoffen. Seine Wirkung beruht auf der Umwandlung elektromagnetischer Feldenergie in Wärmeenergie bei der Absorption von Dezimeterwellen (Mikrowellen).

Geschichte[Bearbeiten]

Der US-amerikanische Ingenieur Percy Spencer (1894–1970) entdeckte, dass Nahrung per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, als er Magnetrons für Radaranlagen bei Raytheon (Hersteller von Hochfrequenztechnik) baute. Als er gerade an einem Radargerät arbeitete, verspürte er ein seltsames Gefühl und bemerkte, dass ein Schokoriegel in seiner Tasche zu schmelzen begann. Er war nicht der Erste, der dieses Phänomen bemerkte. Allerdings war er als Inhaber von 120 Patenten mit Entdeckungen und Experimenten vertraut und verstand, was geschehen war: Das Radar hatte die Schokolade durch die Mikrowellenstrahlung geschmolzen. Popcorn 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 Mikrowellen-Popcorn eine der am häufigsten in der Mikrowelle zubereiteten Speisen. Andere Verfahren der privaten Zubereitung (beispielsweise mit Heißluft) wurden fast vollständig verdrängt.

Im Jahr 1947 baute Spencer das erste Exemplar eines Mikrowellenherdes; er war fast 1,80 m hoch und wog 340 kg. Er besaß eine Wasserkühlung und hatte eine Leistung von 3000 W, etwa das Dreifache von heute üblichen Haushaltsgeräten. Einer der ersten kommerziellen Mikrowellenherde hatte 1954 eine Leistung von 1600 W und kostete zwischen 2000 und 3000 USD. 1965 kam das erste Gerät mit weiter Verbreitung für 495 USD auf den Markt.

Mikrowellenherde waren anfangs in Passagierflugzeugen beliebt; diese Herde wurden von Unternehmen hergestellt, die Erfahrung mit Magnetrons aus der Entwicklung von Radargeräten hatten.

Da der Preis von Mikrowellenherden in den 1970er Jahren rapide sank, stiegen die Verkaufszahlen deutlich an. 1970 wurden in den USA 40.000 Geräte verkauft, 1975 war es schon eine Million. 1997 besaßen 95 % der amerikanischen Haushalte ein Mikrowellengerät,[1] in Deutschland waren es 2011 72 %.[2]

Wirkungsweise[Bearbeiten]

Dipolmoment eines H2O-Moleküls,
rot: negative Teilladung
blau: positive Teilladung
grün: gerichteter Dipol
Die Permittivität von Wasser (20°C) hängt schwach von der Temperatur, aber sehr stark von der Frequenz ab. Der Realanteil ist für die Kapazitätsberechnung eines Kondensators ausschlaggebend, der Imaginäranteil kennzeichnet die Energieabsorption.

Mikrowellen erwärmen bestimmte Materialien anders, als es beispielsweise durch Absorption von Infrarotstrahlung oder durch Wärmeleitung geschieht. IR-Strahlung regt Molekülschwingungen an, wobei die Atomkerne Zitterbewegungen um ihre Ruhelage ausführen. Für diese Anregung ist ein äußeres Dipolmoment nicht erforderlich.

Ein ganz anderer Mechanismus wirkt, wenn Mikrowellen auf Moleküle treffen, die ein elektrisches Dipolmoment besitzen und dieser Dipol sich drehen kann. In gefrorenem Wasser (Eis) ist wegen der Kristallstruktur nur die erste Bedingung erfüllt. In flüssigem Wasser sind die Wasserstoffbrücken dagegen sehr kurzlebig, in der Größenordnung von 200 fs (Femtosekunden).[3] Die häufigen Rotationsbewegungen der Moleküle folgen tendenziell dem äußeren elektrischen Wechselfeld, entnehmen ihm also im Mittel Energie, die Temperatur des Garguts erhöht sich.

Bei der Erwärmung von Wasser beispielsweise bewirkt die elektrische Feldstärkekomponente der elektromagnetischen Welle (E-Feld-Komponente) eine Kraftwirkung auf das Wassermolekül (Kraft ist gleich Feldstärke mal Ladung), so dass auf das Molekül ein Drehmoment wirkt und es eine Drehbewegung vollzieht. Benachbarte Moleküle erfahren ebenfalls ein Drehmoment und drehen sich; dadurch reiben die Moleküle aneinander und es entsteht Wärme. Da das E-Feld sich mit der Frequenz ändert, reiben die Moleküle dauernd aneinander. Bei zu hohen Frequenzen können sich die Moleküle auf Grund ihrer Trägheit nicht mehr oder nur teilweise drehen und die Reibung nimmt ab. Deshalb muss die Frequenz einer Mikrowelle in einem bestimmten Frequenzbereich liegen.

Ein quantitatives Modell dieser dielektrischen Erwärmung wurde von Peter Debye entwickelt und nach ihm benannt. Gemäß der Debye-Relaxation existiert keine Resonanzfrequenz im strengen Sinn, wohl aber ein breiter Frequenzbereich, in dem der dielektrische Verlustfaktor (das ist der Imaginärteil der komplexen Permittivität eines Materials bei vorgegebener Frequenz) besonders groß ist. Für Wasser liegt er, abhängig von der Temperatur und vom Salzgehalt, in der Größenordnung von 30 GHz.[4]

Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung des Herdes wird nicht im Absorptionsmaximum, sondern als Ergebnis eines Kompromisses deutlich tiefer gewählt:

  • Der Leistungsoszillator (Magnetron) mit mindestens 500 W muss sich einfach und billig herstellen lassen und einen hohen Wirkungsgrad besitzen.
  • Die Wellenlänge (12 cm) muss deutlich kleiner sein als die Abmessung des Garraumes.
  • Die Wellenlänge darf nicht geändert werden, weil sonst die Resonanzdichtung des Türspaltes unwirksam wird.
  • Der Frequenzbereich bei 2,455 GHz ist für industrielle Anwendungen frei verfügbar (ISM-Band).
  • Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in Speisen soll einige Zentimeter betragen. Je niedriger die Frequenz, desto größer ist die Eindringtiefe, desto geringer aber auch die Absorption. Bei zu hoher Frequenz ist die Eindringtiefe klein und nur die Oberfläche wird erwärmt.

Ein Magnetron zur Erzeugung elektromagnetischer Felder mit einer Frequenz von 2,455 GHz lässt sich kostengünstig herstellen und die Frequenz ist durch dessen innere mechanische Abmessungen unveränderlich. Die Eindringtiefe in organische Stoffe und auch Wasser liegt dann im Bereich weniger Zentimeter. In manchen Ländern wie den Vereinigten Staaten kommt für industrielle Mikrowellenherde auch die Frequenz um 915 MHz zum Einsatz. Dort ist der Bereich zwischen 902 und 928 MHz als ISM-Frequenzband frei verwendbar.

Die weit verbreitete Annahme, dass die Frequenz des Mikrowellenherds einer besonderen Resonanzfrequenz des Wassers entspricht, ist falsch.[5] Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt bei 22,23508 GHz. Sobald unmittelbare Nachbarn stören, wird die entsprechende Spektrallinie bis zur Unkenntlichkeit verbreitert.

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Ein Mikrowellenherd verwandelt nur 65 % der aufgenommenen elektrischen Energie in Mikrowellenstrahlung, der Rest wird Abwärme.[6] Andererseits heizen die Mikrowellen gezielt lediglich die zu erwärmende Speise, nicht aber den Herd oder dessen Umgebung selbst. Deshalb ist der Mikrowellenherd bei kleineren Portionen energetisch günstiger. Als Richtwert gelten 250 ml Flüssigsubstanz. Es ist also günstiger, 250 ml Flüssigkeit (bzw. 250 Gramm einer wasserhaltigen Speise) im Mikrowellenherd zu erhitzen statt in einem Topf auf dem Elektroherd.

Das Erwärmen von 1 Liter Wasser ist (von allen Erhitzungsvarianten mit Elektrizität) im elektrischen Wasserkocher am effizientesten, da hier eine praktisch verlustfreie Übertragung gegeben ist und der Verlust, bedingt durch die Wärmekapazität der Heizspirale und des Wasserbehälters, relativ gering ist.

Aufbau[Bearbeiten]

Magnetron eines Mikrowellenherdes im Längsschnitt (Magnete und Kühlrippen entfernt)
Elektrischer Anschluss des Magnetrons
Magnetron schematisch

Die Mikrowellen werden mit Hilfe eines Magnetrons erzeugt und mittels eines Hohlleiters in den Garraum geleitet. Dieser Garraum ist metallisch abgeschirmt, wodurch die Ausbreitung der Mikrowellen aus dem Gerät heraus verhindert wird.

Zur Versorgung des Magnetrons ist eine hohe Anodenspannung erforderlich (etwa 5 kV), die im Gerät mit Hilfe eines Hochspannungstransformators und einer Spannungsverdopplerschaltung erzeugt wird. Die an der Kathode anliegende Hochspannung wechselt dabei mit einer Frequenz von 50 Hz periodisch zwischen 0 und etwa 5 kV. Die Schwellspannung des Magnetrons bewirkt, dass lediglich dann, wenn die Versorgungsspannung größer als die Schwellspannung wird, kurze Stromimpulse auftreten. Um die Größe des Kondensators (ca. 10 cm) zu begrenzen, ist er so dimensioniert, dass er die sekundärseitige Streuinduktivität des Transformators (im Schaltbild nicht mit angegeben) in etwa kompensiert. Das Magnetron wird so angeschlossen, dass die Anode mit dem Gehäuse des Mikrowellenherdes verbunden ist, weil dann die Sendeantenne nicht auf Hochspannungspotential liegt. Der Transformator versorgt auch die Glühkathode des Magnetrons mit Strom. Ein Ventilator kühlt das Magnetron und bläst dessen Verlustwärme durch den Garraum, um ihn trocken zu halten.

Das Strahlungsfeld der eingebauten Mikrowellenantenne füllt den Garraum des Herdes ungleichmäßig aus. Um eine gleichmäßige Erwärmung der Speisen zu erreichen, werden rotierende, metallische Flügelräder eingesetzt, die die Schwingungsmoden des Garraumes ständig ändern. Diese Räder sitzen meist unter einer nicht metallischen Abdeckung in der Decke des Garraumes. In vielen Geräten wird das Gargut außerdem auf einem Drehteller mechanisch bewegt.

Die Tür ist in mehrfacher Hinsicht sicherheitsrelevant. Sie schirmt die Mikrowellen im Inneren des Herdes ab und verhindert durch ihren Verschlussmechanismus, dass das Gerät bei geöffneter Tür arbeitet. Weiterhin gewährt sie durch eine Scheibe, vor der sich innen ein Lochblech befindet, Einblick in den Garraum. Die Öffnungen im Lochblech sind dabei sehr viel kleiner als die Wellenlänge der Mikrowellen von etwa 12 cm, so dass die Umgebung trotzdem von dem elektromagnetischen Feld im Garraum abgeschirmt bleibt. Der Türrahmen ist immer ein umlaufender Spalt, der sich nach hinten fortsetzt (Resonanzdichtung). Die Breite beträgt ein Viertel der Wellenlänge (Formelzeichen: λ), was ca. 3 cm beträgt. Nur dann wirkt der Spalt auch ohne elektrischen Kontakt als frequenzselektive Dichtung für die elektromagnetischen Felder im Ofen. Die Funktion beruht auf der geschickten Kombination von Stücken, die eine Länge von λ/4 haben, wie bei der Verbindung von Hohlleitern.

Leistungsregulierung[Bearbeiten]

Die Leistungsregulierung eines Mikrowellenherdes erfolgt bei den meisten Geräten nicht durch Einstellung des Magnetrons auf die gewünschte Leistung, sondern durch Intervallbetrieb. Das Magnetron arbeitet immer mit voller Leistung, wird aber zum Erreichen der vom Bediener eingestellten Leistung im Rhythmus von einigen Sekunden ein- und ausgeschaltet. Durch das Verhältnis von Ein- und Auszeit wird dabei die mittlere Leistung gesteuert. Ein 1200-Watt-Gerät, das der Bediener auf 600 Watt Leistung eingestellt hat, wird also wechselnd beispielsweise 5 Sekunden lang 1200 Watt Strahlungsleistung auf das Kochgut geben und danach 5 Sekunden im Leerlauf sein. Die Leistungsvorgabe über das Bedienfeld ist deshalb nur die mittlere Energie pro Zeit. Dadurch hat die Differenz zwischen dem technischen Maximalwert (im Beispiel 1200 Watt) und dem eingegebenen Wert (im Beispiel 600 Watt) einen Einfluss auf das Kochgut, da auch während der „Leerlaufzeit“ die Wärme durch Konvektion weitergeleitet wird, aber auch das Kochgut abkühlen kann. Deshalb erzeugen etwa ein 1200-Watt-Herd und ein 800-Watt-Herd, die beide jeweils auf 400 Watt eingestellt wurden, unterschiedliche Zubereitungsergebnisse. Der 1200-Watt-Herd heizt schneller auf und ist zwei Drittel der ablaufenden Zeit im Leerlauf, der 800-Watt-Herd die Hälfte der Zeit. Diesem Problem begegnen Geräte, die in sogenannter "Invertertechnik" ausgeführt sind. Anstelle eines konventionellen Trafos kommt hier ein Schaltnetzteil zum Einsatz. Das ermöglicht eine beliebig einstellbare Anodenspannung (Hochspannung). Diese wird dann so gewählt, dass vom Magnetron durchgehend die gewünschte Leistung abgegeben wird. Diese Methode soll angeblich bei empfindlichen Speisen (etwa bei Fisch) das Zubereitungsergebnis deutlich verbessern.

Anwendungshinweise[Bearbeiten]

Interferenz (Bild) verursacht Brennpunkte (hot spots) maximaler Temperatur im Gargut.

Ein Mikrowellenherd sollte nie mit leerem Garraum eingeschaltet werden, da die abgegebene Leistung des Magnetrons immer ausreichend absorbiert werden muss. Andernfalls wird sie ins Magnetron zurück reflektiert und dieses könnte Schaden nehmen.

Aufgrund der Reflexionen entsteht im Garraum ein dreidimensionales Muster aus Interferenzmaxima, hot spots genannt, an denen mehr Energie an das Gargut abgegeben wird. Trotz Gegenmaßnahmen wie Drehtellern oder Reflexionsdrehspiegeln können daher einzelne Areale im Gargut überhitzen. Wegen des unterschiedlichen Wassergehalts verschiedener Speisen kann es trotz Stirrer (englisch für Rührer) und Drehteller zu inhomogener Erwärmung kommen. So erwärmen sich Knochen im Vergleich zum Fleisch nur gering. Salziges erwärmt sich stärker als Fettiges. Zum sicheren Durchgaren der Speisen ist es daher ratsam, diese abzudecken und gegebenenfalls mit geringerer Leistung länger zu garen oder nach kurzen Aufwärmphasen umzurühren. Vor allem bei gebrauchsfertiger Babykost ist ein Vermischen vor der Verabreichung sinnvoll.

Bekannt sind auch hot spots in trockenen Speisen – an diesen Stellen können Verkohlungen auftreten und so Schadstoffe entstehen.

Allgemein wird empfohlen, die Speisen in Intervallen mit Pausen zu erwärmen. Der Effekt des Überhitzens von Wasser (siehe Siedeverzug) in glatten Gefäßen ist eine mögliche Gefahrenquelle. Dabei kann es passieren, dass Wasser über den Siedepunkt hinaus erhitzt wird, ohne zu sieden – diese Gefahr besteht vor allem bei wiederholtem Erhitzen in der Mikrowelle aufgrund des geringer werdenden Anteils gelöster Gase. Das überhitzte Wasser kann bei Bewegung (beispielsweise bei der Entnahme) plötzlich verdampfen; dabei wird ein Teil des Wassers explosionsartig zu Dampf und siedendes Wasser wird aus dem Gefäß geschleudert. Ein ins Gefäß gestellter Glasstab oder Löffel und vorheriges Kratzen mit diesen Geräten am Gefäßboden helfen, die Siedeverzögerung zu vermeiden, da die Berührungsstellen am Boden als Keim für die Dampfblasenbildung wirken.

Normales Geschirr aus Porzellan oder Kunststoff absorbiert keine Mikrowellen und wird somit durch die Strahlung nicht erwärmt, sondern nur indirekt vom Gargut durch Wärmeleitung. Spezielles, sogenanntes Bräunungsgeschirr, sowie andere verlustbehaftete dielektrische oder elektrisch mittelmäßig leitfähige Stoffe sowie ferromagnetische Keramik werden dagegen auch direkt erwärmt.

Unglasiertes Steingutgeschirr oder solches mit Rissen in der Glasur kann sich (beim Abwaschen) mit Wasser vollsaugen, wodurch es dann ebenfalls direkt erwärmt wird. Das führt z. B. dazu, dass eine Suppenschale zu heiß zum Anfassen wird, während die Suppe im Inneren nur an der Oberfläche (der Eindringtiefe entsprechend) erwärmt ist.

Auftauen

In Eis können die Dipole des Wassers nicht umklappen (sie können aber hin und her schwingen). Daher ist die „Reibung“ der Moleküle und damit die Wärmeerzeugung geringer. Das Auftauen von Gefriergut erfolgt dort besser in Verbindung mit flüssigem Wasser, entweder in im Gefriergut eingeschlossenen Lösungen mit anderem Gefrierpunkt oder an einer durch die Umgebungsluft angetauten Oberfläche. Das Auftauen wird beschleunigt, wenn man das Gefriergut vorher kurz abspült; das anhaftende und eingedrungene Wasser erwärmt sich leichter und kann die Wärme an noch gefrorene Teile abgeben. Moderne Mikrowellenherde verfügen dazu über eine Auftaufunktion. Dabei wird in kurzen Abständen zuerst durch Mikrowellen bereits geschmolzenes Wasser erwärmt, dann einige Zeit pausiert, bis durch die zugeführte Wärme Eis aufgetaut ist, dann wieder erwärmt und so weiter.

Popcorn-Bereitung

Popcorn-Körner werden im Mikrowellenherd in speziellen Tüten erwärmt, bei denen der Tütenboden die Mikrowellen besser absorbiert und sich stärker erhitzt. Dadurch poppen die Körner eher, als wenn man sie lose in einem Gefäß erhitzen würde. Beim Poppen springen die Körner hoch; rohe Körner gelangen dadurch auf den erhitzten Boden und können ihrerseits aufpoppen.[7]

Gefahren[Bearbeiten]

Mikrowellenstrahlung[Bearbeiten]

Warnsymbol vor nicht ionisierender Strahlung, wie es Mikrowellen sind

Mikrowellenstrahlung wirkt auch auf menschliches Gewebe erwärmend. Durch lokales Erhitzen kann sie zu Schädigungen des Gewebes (Verbrennungen) führen. Insbesondere schwach durchblutetes Gewebe, das Wärme über den Blutkreislauf nicht schnell abführen kann, wie die Augen, sind in erhöhtem Maß vor Mikrowellen zu schützen.

Bei einem intakten Mikrowellenherd tritt aufgrund der Abschirmung des Garraums nur eine vernachlässigbare Strahlungsleistung aus, von der keine Gefahr ausgeht.[8] Mikrowellenherde sind auch im Fehlerfall durch mehrfach vorhandene Sicherungen gut gegen Betrieb mit offener Tür geschützt. Geräte mit beschädigtem oder verbogenem Gehäuse oder Türen sollten nicht weiterverwendet werden, da in diesem Fall auch außerhalb des Geräts verhältnismäßig starke hochfrequente elektromagnetische Felder auftreten können, die eine Verletzungsgefahr bergen.

Der qualitative Nachweisversuch, Strahlungs-Lecks bei eingeschalteten Mikrowellenherden mithilfe von rundum aufgestellten Probengläsern mit rohem Eiweiß aufzuspüren, ist unzureichend und gefährlich, denn die Erhitzung auf die Gerinnungstemperatur ist direkt abhängig vom benutzten Volumen und spricht mitunter nicht auf kleinere Leckagen an. Ein Ausbleiben der Gerinnung könnte eine Gefahrlosigkeit vortäuschen, auch wenn bereits nicht tolerierbare Strahlungslecks vorhanden sind. Auch negative qualitative Nachweisversuche mit vorgehaltenen Leuchtstofflampen können falsche Ergebnisse vortäuschen. Messungen zum Auffinden von Leckagen sollten mit entsprechenden Messempfängern vorgenommen werden.

Ein weit verbreiteter Mythos ist, dass die Leckstrahlung von Mikrowellenherden krebserregend sei (dies wird z. B. in der Fernsehserie Die Simpsons und weiteren amerikanischen Medien behauptet). Eine mutagene Wirkung tritt allerdings nur bei ionisierender Strahlung auf. Ob Strahlung ionisierend ist oder nicht hängt von ihrer Frequenz ab, und die Frequenz von Ionisierender Strahlung beginnt erst im Ultraviolettbereich (Übergang von UV-A zu UV-B). Die Frequenz von Mikrowellen liegt aber im Funkbereich und somit sogar unterhalb der von sichtbaren Licht. Auch ist es falsch, dass Elektronenröhren (wie das Magnetron) grundsätzlich Röntgenstrahlung erzeugen. Die Frequenz von Bremsstrahlung hängt von der Anodenspannung ab, und tritt erst bei 30 kV und höheren Spannungen auf (Deswegen wird in Fernsehern auch tunlichts vermieden, diese Spannung zu überschreiten). Die maximale Spannung in Mikrowellenherden beträgt aber 6 kV (Spitze-Spitze Spannung von 2 kV~) und liegt deutlich darunter.

Effekte mit elektrisch leitenden Stoffen (u. a. Metallen)[Bearbeiten]

Wegen der hohen Sendeleistung des Magnetrons können in allen leitfähigen Materialien, so auch Metallteilen im Garraum Ströme von mehr als 20 A fließen. Dünne Metallschichten, beispielsweise Alufolie, metallische Verzierungen an Geschirr oder der Goldrand von Tellern, können deswegen (und aufgrund von Lichtbögen) sogar schmelzen, Lebensmittel mit schlechter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit (wie etwa gepopptes Popcorn) können verkohlen. Dickere Gegenstände wie Besteck werden dagegen nur heiß. Die gelegentlich verbreitete Ansicht, Metall sei in der Mikrowelle tabu, ist dagegen falsch – der Mikrowellenherd selbst besteht aus Metall.

Wenn man Metallstücke mit ungeeigneter Geometrie wie etwa Gabeln, oder mit geringem Abstand zur Wandung in den Garraum einbringt, können Funkenüberschläge entstehen, falls die erzeugte elektrische Feldstärke ausreichend ist (= 106 V·m−1).

Die Erwärmung von Speisen, die in Aluminiumbechern verpackt gekauft wurden, erfolgt schneller (und energiesparender), wenn die Speisen aus den Aluminiumbehältern auf einen Teller geleert werden, denn das Aluminium reflektiert von unten einfallende Mikrowellen und das Gargut wird dann nur von oben erhitzt.

Brandgefahr[Bearbeiten]

Überhitzter Mikrowellenherd

Bestimmte Speisen und andere Stoffe können sich in einer Mikrowelle so weit erhitzen, dass sie zu schwelen oder zu brennen beginnen. Mikrowellen erhitzen nicht nur Wassermoleküle, sondern alle Moleküle mit einem Dipolmoment und elektrisch leitfähige Stoffe. Durch die hohen Feldstärken kann es auch zur Bildung von Lichtbögen in Lebensmitteln kommen. Starke induzierte Ströme können ebenfalls zu Verkohlungen führen.

Entstehende Verkohlungen und auch Flammen absorbieren Mikrowellenstrahlung wiederum und verstärken den Effekt. Mikrowellenherde besitzen daher über dem Garraum im Bereich des Luftaustritts einen Thermoschalter, der das Gerät bei Überhitzung abschaltet. Im Inneren ablaufende Brände sind durch das doppelwandige Gehäuse von der Umgebung isoliert, könnten jedoch gesundheitsschädliche Brandgase entwickeln, die durch den nach der Heizzeit meist noch nachlaufenden Ventilator auch nach außen geführt werden.

Auswirkung auf Nährstoffe[Bearbeiten]

Mikrowellen übertragen zu wenig Energie, um chemisch stabile Molekülbindungen aufzubrechen, können jedoch Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser und in Biomolekülen stören und dadurch die Denaturierung und Inaktivierung von Biomolekülen (beispielsweise Proteine, RNA, DNA, Zellmembranen[9]) auslösen. Ebenso können über Polarisationseffekte die Ladungen vorhandener Radikale (Moleküle mit reaktionsfreudigen Elektronen) umgeordnet werden, wodurch sich neue Reaktionsprodukte ergeben können.[10]

Die Ansicht, Mikrowellenherde würden den Nährstoffgehalt von Nahrungsmitteln durch Zerstörung von Vitaminen und sekundären Pflanzenstoffen stärker als andere Erhitzungsvorgänge verringern, ist weitestgehend unbelegt. Eine Studie[11] ergab, dass Antioxidantien in Brokkoli durch Erhitzung im Mikrowellenherd stärker zerstört werden als durch andere Erhitzungsverfahren.[12] Generelle Aussagen sind allerdings schwierig, da die Werte für einzelne Nährstoffe in bestimmten Lebensmitteln sehr unterschiedlich sind und stets der Vergleich mit anderen Erhitzungsverfahren bedacht werden muss.

Die Entstehung von Schadstoffen durch das Verfahren der Mikrowellenerwärmung wird wiederkehrend diskutiert. Eine mögliche Quelle von Schadstoffen können – wie auch bei anderen Garverfahren – lokale Verbrennungen an Speisen sein. Eine tatsächliche Gefahr für die Nährstoffe stellt die Überhitzung von Nahrungsmitteln dar, da viele Nährstoffe bei hohen Temperaturen zerstört werden. Das trifft aber ebenso auf die Zubereitung im Topf auf dem Herd zu, auch führt eine unbedachte oder ungeeignete Einstellung des Mikrowellenherdes sehr schnell zu dem unerwünschten Effekt. Insbesondere beim Garen von Speisen besteht eine erhöhte Gefahr der Überhitzung.

Nachteile[Bearbeiten]

Beim normalen Garen werden Temperaturen, wie sie für Bräunungsreaktionen von Speisen nötig sind, nicht erreicht. Dadurch können die vom Rösten bekannten Röstaromastoffe nicht gebildet werden.

Weitere Anwendungen[Bearbeiten]

Große Mikrowellengeräte werden industriell als Alternative zu Autoklaven für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt und deren Einsatzmöglichkeiten werden erforscht. Dabei ist die Energieersparnis im Vergleich zu anderen Herstellungsmethoden von Faserverbundwerkstoffen interessant, diese beruht auf der Tatsache, dass nur das Werkstück selbst erhitzt wird (siehe Wirkungsweise und Wirkungsgrad). Weitere Anwendungen sind das Trocknen von Lebensmitteln wie zum Beispiel Nudeln, das Hitzestabilisieren von Getreidekeimlingen oder das Trocknen anderer Materialien.

Therapeutische Nutzung

Mikrowellen mit bis zu mehreren hundert Watt werden auch therapeutisch zur Gewebeerwärmung beim medizinischen Verfahren der Diathermie eingesetzt. Der Wärmeeintrag wird wie beim Mikrowellenherd über gepulstes An- und Abschalten gesteuert.

Trocknung

Mikrowellen mit Leistungen von vielen Kilowatt werden zur industriellen Trocknung und Erwärmung, zur Plasmageneration und in Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Sie werden wie in der Mikrowelle mit Magnetronen oder auch mit Klystronen erzeugt.

Mikroorganismen

Spül- und Putzlappen sind geeignete Lebensräume für Mikroorganismen. Eine Studie von 2007[13] zeigte, dass sich Mikrowellenherde auch für die Sterilisation kontaminierter Schwämme oder Tücher eignen. Bereits zwei Minuten in einem solchen Ofen bei voller Leistung töten rund 99 Prozent aller Keime, sowohl Bakterien als auch Viren, vier Minuten sind ausreichend, um auch hartnäckige Bakteriensporen zu inaktivieren. Da die Mikrowelle die Erwärmung durch Absorption in Wasser erzeugt, müssen Schwämme oder Tücher in nassem Zustand in die Mikrowelle gegeben werden. Die Keime werden durch die hohe Temperatur und nicht durch die Strahlung abgetötet.

Die Katzensage

In den USA werden Mikrowellenherde mit dem Warnhinweis „Nicht geeignet zum Trocknen von Haustieren“ verkauft. Ob diese Warnung älter ist als die damit zusammenhängende moderne Sage vom Haustier in der Mikrowelle, ist heute wohl nicht mehr eindeutig zu klären.

Chipabwehr

Nach der Einführung des ePasses wurde seitens des Chaos Computer Clubs und Gegnern zunehmender Überwachungsmaßnahmen als Akt zivilen Ungehorsams dazu aufgerufen, den im Dokument enthaltenen Chip, auf dem persönliche Daten des Inhabers gespeichert sind, mittels eines Mikrowellenherdes zu zerstören. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass der Pass dennoch seine Gültigkeit behält, da er nach wie vor eine Identifikation der Person ermöglicht.[14]

Literatur[Bearbeiten]

  • Thorsten Oliver Kraemer: Wer hat eigentlich die Mikrowelle erfunden?. Große Erfindungen und ihre Erfinder. BOD Verlag, 2009, ISBN 3-8370-3777-0
  • 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

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Mikrowellenherde – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Hedonic Quality Adjustment Methods For Microwave Ovens In the U.S. CPI. Bureau of Labor Statistics, United States Department of Labor, 16. Oktober 2001, abgerufen am 5. Oktober 2013 (amerikanisches englisch).
  2. Statistisches Bundesamt, Stichtag 1. Januar 2011. DeStatis und DSTATIS – Wirtschaftsrechnungen, Fachserie 15, Reihe 2, S. 11, 2011
  3. Richard J. Saykally et al.: Unified description of temperature-dependent hydrogen-bond rearrangements in liquid water, PNAS, Vol. 102, 2005, S. 14171-74 doi:10.1073/pnas.0506899102
  4. Martin Chaplin: Water Structure and Science
  5. Camelia Gabriel, Sami Gabriel, Edward H. Grant, Edward H. Grant, Ben S. J. Halstead, D. Michael P. Mingos: Dielectric parameters relevant to microwave dielectric heating. In: Chemical Society Reviews. 27, Nr. 3, Januar 1998, S. 213-224. ISSN 1460-4744. doi:10.1039/A827213Z. Abgerufen am 16. Juli 2012.
  6. Mehr Experimente mit der Haushaltsmikrowelle (PDF; 406 kB)
  7. Jearl Walker: Der fliegende Zirkus der Physik
  8. Bundesamt für Strahlenschutz – Artikel zu HF-Feldern (PDF; 462 kB)
  9. Shckorbatov YG, Pasiuga VN, Kolchigin NN, Grabina VA, Batrakov DO, Kalashnikov VV, Ivanchenko DD, Bykov VN (2009): The influence of differently polarised microwave radiation on chromatin in human cells. International Journal of Radiation Biology 85 (4), Seiten 322–329
  10. A. J. Hoff, H. Rademaker, R. van Grondelle, L. N. M. Duysens: On the magnetic fields dependence of the yield of the triplet state in reaction centers of photosynthetic bacteria. In: Biochim. Biophys. Acta 460 (1977), S. 547–551
  11. James Randerson:Microwave cooking zaps nutrients, zitiert „Journal of the Science of Food and Agriculture, vol 83, Seite 1511“
  12. Mikrowellen zerstören Inhaltsstoffe von Gemüse, bei orf.at
  13. Gabriel Bitton (University of Florida, Gainesville) et al.: Journal of Environmental Health, Bd. 69, S. 17 (Bericht in www.wissenschaft.de, 24. Januar 2007)
  14. Hacken im Polizeistaat Die Zeit vom 2. Januar 2006