Mikrowellen in der Forschung

Ja, Mikrowellen werden auch in der Forschung eingesetzt – um genau zu sein in der Teilchenphysik. Mikrowellen sind in der Lage Teilchen zu Beschleunigen und das macht man sich für die Forschung zu nutzen. Die Mikrowellenstrahlung wird in einen Teilchenbeschleuniger geleitet und versorgt so die Teilchen mit zusätzlicher Energie.

Aber es gibt einen Unterschied – während in den Mikrowellengeräten für den Haushalt Magnetrone die Mikrowellenstrahlung erzeugen, passiert dies in der Teilchenbeschleunigung über einen so genannten Klystron. Magnetrone sind ungeeignet um Teilchen zu beschleunigen weil der Frequenzbereich zu weit gestreut ist und so die Energiezufuhr nicht optimal geregelt werden kann. Ein Klystron hingegen erzeugt Mikrowellen in einem kleineren/engeren Frequenzbereich wodurch die zugeführte Energie kontrolliert werden kann.

Wie genau wird Mikrowellenstrahlung erzeugt?

Wie oben schon beschrieben wird die Strahlung in einer handelsüblichen Mikrowelle mit einem Magnetron erzeugt. Ein Magnetron besitzt eine negativ geladene Glühkathode in der Mitte eines runden Hohlraums dessen Außenwand positiv geladen ist. Wird die Glühkathode erhitzt entweichen aus dieser Elektronen und beschleunigen durch die unterschiedlich geladenen Bauteile (negative Glühkathode und positive Außenwand des Hohlraums). Durch das Magnetfeld das auf die Elektronen einwirkt kreisen die Elektronen um die Glühkathode in der Mitte. An der Außenwand des Magnetrons befinden sich Hohlräume die die vorbeifliegenden Elektronen so beeinflussen das in ihnen ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. 

Dieses innerhalb der Elektronen erzeugte Feld wirkt unterschiedlich auf jedes Elektron – manche beschleunigen und andere bremsen ab. Dadurch bilden sich Gruppen der unterschiedlichen Elektronen. Ein Magnetron ist in der Lage etwa 50-85 Prozent der ihm zugeführten Energie in Mikrowellenstrahlung umzuwandeln.

Die Wellenlänge einer Mikrowelle

Eine Mikrowelle erzeugt Wellen mit einer ungefähren Länge von 12 Zentimeter – das entspricht 2,455 Milliarden Schwingungen pro Sekunde. Auch wenn die Zahl unvorstellbar hoch ist werden die Moleküle trotzdem nicht optimal in Bewegung gesetzt. Um die Moleküle optimal zu bewegen müsste die Schwingungszahl pro Sekunde etwa 10-mal so hoch liegen! Dafür würden die Wellen bei einer 10-mal so hohen Schwingungszahl nicht mehr tief genug in die Speisen eindringen können – ergo das Essen bliebe innen kalt! Des Weiteren dürfen in diesem Frequenzbereich keine Mikrowellen erzeugt werden, da dieser Bereich der staatlichen Regulierung unterliegt – lizenzfrei dürfen nur Wellen mit max. 12 cm genutzt werden.