Vakuum

Pumpe zur Demonstration des Vakuums ⓘ

Ein Vakuum ist ein Raum, in dem es keine Materie gibt. Das Wort leitet sich vom lateinischen Adjektiv vacuus für "leer" oder "nichtig" ab. Eine Annäherung an ein solches Vakuum ist ein Bereich mit einem Gasdruck, der weit unter dem atmosphärischen Druck liegt. Physiker sprechen oft von idealen Versuchsergebnissen, die in einem perfekten Vakuum auftreten würden, das sie manchmal einfach als "Vakuum" oder freien Raum bezeichnen, und verwenden den Begriff Teilvakuum, um sich auf ein tatsächliches unvollkommenes Vakuum zu beziehen, wie es in einem Labor oder im Weltraum herrschen könnte. In der Technik und der angewandten Physik hingegen bezeichnet Vakuum jeden Raum, in dem der Druck deutlich unter dem Atmosphärendruck liegt. Der lateinische Begriff in vacuo wird verwendet, um ein Objekt zu beschreiben, das von einem Vakuum umgeben ist. ⓘ

Die Qualität eines Teilvakuums hängt davon ab, wie nahe es einem perfekten Vakuum kommt. Unter sonst gleichen Bedingungen bedeutet ein niedrigerer Gasdruck ein hochwertigeres Vakuum. Ein typischer Staubsauger erzeugt zum Beispiel genug Saugkraft, um den Luftdruck um etwa 20 % zu verringern. Es sind jedoch auch höherwertige Vakua möglich. Ultrahochvakuumkammern, wie sie in der Chemie, Physik und im Ingenieurwesen üblich sind, arbeiten mit einem Druck von weniger als einem Billionstel (10-12) des Atmosphärendrucks (100 nPa) und können etwa 100 Partikel/cm³ erreichen. Im Weltraum herrscht ein noch höheres Vakuum, das im intergalaktischen Raum im Durchschnitt nur wenigen Wasserstoffatomen pro Kubikmeter entspricht. ⓘ

Das Vakuum ist seit der griechischen Antike ein häufiges Thema philosophischer Debatten, wurde aber erst im 17. Jahrhundert empirisch untersucht. Jahrhundert empirisch untersucht. Evangelista Torricelli stellte 1643 das erste Laborvakuum her, und auf der Grundlage seiner Theorien über den atmosphärischen Druck wurden weitere experimentelle Techniken entwickelt. Ein Torricelli-Vakuum wird erzeugt, indem man ein hohes, an einem Ende geschlossenes Glasgefäß mit Quecksilber füllt und es dann in einer Schale umdreht, um das Quecksilber aufzunehmen (siehe unten). ⓘ

Mit der Einführung von Glühbirnen und Vakuumröhren wurde das Vakuum im 20. Jahrhundert zu einem wertvollen industriellen Hilfsmittel, und seither ist eine breite Palette von Vakuumtechnologien verfügbar. Die Entwicklung der bemannten Raumfahrt hat das Interesse an den Auswirkungen des Vakuums auf die menschliche Gesundheit und auf Lebensformen im Allgemeinen geweckt. ⓘ

Otto von Guericke demonstrierte 1657 die Wirkung von Vakuum mit seinen Magdeburger Halbkugeln ⓘ

Der äußere Luftdruck presst die Magdeburger Halbkugeln zusammen
a) Halbkugeln mit Luft gefüllt
b) luftleere Halbkugeln
1. Griff
2. luftdichte Abdichtung
3. Magdeburger Halbkugel
4. Luftdruck
5. (weitgehend) Vakuum ⓘ

Glasglocke mit Kolben-Vakuumpumpe für Schulversuche ⓘ

In der Physik bezeichnet Vakuum außerdem auch ein theoretisches Konzept, nämlich die vollständige Abwesenheit von Materie in einem Raumgebiet. ⓘ

Etymologie

Das Wort Vakuum kommt aus dem Lateinischen und bedeutet "leerer Raum, Leere". Es ist das Neutrum von vacuus, was "leer" bedeutet, verwandt mit vacare, was "leer sein" bedeutet. ⓘ

Vakuum ist eines der wenigen Wörter in der englischen Sprache, das zwei aufeinanderfolgende Buchstaben u enthält. ⓘ

Historisches Verständnis

In der Geschichte wurde viel darüber gestritten, ob es so etwas wie ein Vakuum geben kann. Die griechischen Philosophen der Antike diskutierten die Existenz eines Vakuums oder einer Leere im Zusammenhang mit dem Atomismus, der die Leere und das Atom als die grundlegenden Erklärungselemente der Physik ansah. Nach Platon stieß selbst das abstrakte Konzept einer eigenschaftslosen Leere auf beträchtliche Skepsis: Es konnte nicht mit den Sinnen erfasst werden, es konnte selbst keine zusätzliche Erklärungskraft über das physikalische Volumen hinaus bieten, dem es entsprach, und es war per Definition buchstäblich überhaupt nichts, von dem man nicht mit Recht sagen kann, dass es existiert. Aristoteles war der Ansicht, dass es auf natürliche Weise keine Leere geben könne, weil das dichtere umgebende materielle Kontinuum jede beginnende Rarität, die zu einer Leere führen könnte, sofort ausfüllen würde. ⓘ

In seiner Physik, Buch IV, führte Aristoteles zahlreiche Argumente gegen die Leere an: zum Beispiel, dass die Bewegung durch ein ungehindertes Medium bis ins Unendliche fortgesetzt werden könne, da es keinen Grund gäbe, dass etwas an einem bestimmten Ort zur Ruhe kommen würde. Lukrez argumentierte im ersten Jahrhundert v. Chr. für die Existenz des Vakuums und Hero von Alexandria versuchte im ersten Jahrhundert n. Chr. erfolglos, ein künstliches Vakuum zu erzeugen. ⓘ

In der mittelalterlichen muslimischen Welt schrieb der Physiker und islamische Gelehrte Al-Farabi im 10. Jahrhundert eine Abhandlung, in der er die Existenz des Vakuums ablehnte. Er kam zu dem Schluss, dass sich das Volumen der Luft ausdehnen kann, um den verfügbaren Raum auszufüllen, und dass das Konzept eines perfekten Vakuums daher inkohärent ist. Laut Nader El-Bizri waren der Physiker Ibn al-Haytham und die Mu'tazili-Theologen anderer Meinung als Aristoteles und Al-Farabi und befürworteten die Existenz eines Vakuums. Mit Hilfe der Geometrie wies Ibn al-Haytham mathematisch nach, dass der Ort (al-makan) die imaginäre dreidimensionale Leere zwischen den inneren Oberflächen eines Körpers ist. Laut Ahmad Dallal stellt Abū Rayhān al-Bīrūnī auch fest, dass "es keinen beobachtbaren Beweis gibt, der die Möglichkeit eines Vakuums ausschließt". Die Saugpumpe wurde von dem arabischen Ingenieur Al-Jazari im 13. Jahrhundert beschrieben und tauchte später in Europa ab dem 15. ⓘ

Europäische Gelehrte wie Roger Bacon, Blasius von Parma und Walter Burley haben sich im 13. und 14. Jahrhundert intensiv mit dem Konzept des Vakuums auseinandergesetzt. In Anlehnung an die stoische Physik wichen die Gelehrten ab dem 14. Jahrhundert zunehmend von der aristotelischen Perspektive ab und gingen von einer übernatürlichen Leere jenseits der Grenzen des Kosmos aus, eine Schlussfolgerung, die im 17. ⓘ

Fast zweitausend Jahre nach Platon schlug René Descartes ebenfalls eine geometrisch begründete alternative Theorie des Atomismus vor, ohne die problematische Nichts-Alles-Dichotomie von Leere und Atom. Obwohl Descartes mit der zeitgenössischen Position übereinstimmte, dass ein Vakuum in der Natur nicht vorkommt, sollte der Erfolg seines namensgebenden Koordinatensystems und, noch impliziter, die räumlich-körperliche Komponente seiner Metaphysik den philosophisch modernen Begriff des leeren Raums als quantifizierte Erweiterung des Volumens definieren. Nach der antiken Definition waren jedoch Richtungsinformation und Größe begrifflich getrennt. ⓘ

Torricellis Quecksilberbarometer erzeugte eines der ersten anhaltenden Vakua in einem Labor. ⓘ

In mittelalterlichen Gedankenexperimenten zur Idee des Vakuums wurde untersucht, ob zwischen zwei flachen Platten ein Vakuum herrscht, wenn auch nur für einen Augenblick, wenn sie schnell voneinander getrennt werden. Es wurde viel darüber diskutiert, ob die Luft schnell genug einströmt, wenn die Platten getrennt werden, oder ob, wie Walter Burley postulierte, ein "himmlisches Mittel" das Entstehen des Vakuums verhindert. Die allgemein verbreitete Ansicht, dass die Natur ein Vakuum verabscheut, wurde als horror vacui bezeichnet. Es gab sogar Spekulationen, dass selbst Gott kein Vakuum erzeugen könnte, wenn er wollte, und die Pariser Verurteilungen des Bischofs Etienne Tempier aus dem Jahr 1277, die verlangten, dass es keine Beschränkungen für die Macht Gottes geben dürfe, führten zu der Schlussfolgerung, dass Gott ein Vakuum erzeugen könnte, wenn er es wollte. Jean Buridan berichtete im 14. Jahrhundert, dass ein Gespann von zehn Pferden den Blasebalg nicht aufziehen konnte, wenn die Öffnung versiegelt war. ⓘ

Die Crookes-Röhre, die zur Entdeckung und Untersuchung von Kathodenstrahlen verwendet wurde, war eine Weiterentwicklung der Geissler-Röhre. ⓘ

Im 17. Jahrhundert wurden die ersten Versuche unternommen, Messungen des Teilvakuums zu quantifizieren. Das Quecksilberbarometer von Evangelista Torricelli aus dem Jahr 1643 und die Experimente von Blaise Pascal wiesen beide ein Teilvakuum nach. ⓘ

Im Jahr 1654 erfand Otto von Guericke die erste Vakuumpumpe und führte sein berühmtes Magdeburger Halbkugel-Experiment durch, bei dem er zeigte, dass Pferdegespanne aufgrund des atmosphärischen Drucks außerhalb der Halbkugeln zwei Halbkugeln, aus denen die Luft teilweise evakuiert worden war, nicht voneinander trennen konnten. Robert Boyle verbesserte Guerickes Konstruktion und entwickelte mit Hilfe von Robert Hooke die Vakuumpumpentechnik weiter. Danach ruhte die Erforschung des Teilvakuums bis 1850, als August Toepler die Toepler-Pumpe erfand, und 1855, als Heinrich Geissler die Quecksilberverdrängerpumpe erfand, mit der ein Teilvakuum von etwa 10 Pa (0,1 Torr) erreicht wurde. Bei diesem Vakuum lassen sich eine Reihe von elektrischen Eigenschaften beobachten, was das Interesse an weiteren Forschungen weckte. ⓘ

Der Weltraum ist das seltenste Beispiel für ein natürliches Teilvakuum. Ursprünglich dachte man, dass der Himmel nahtlos von einem starren, unzerstörbaren Material namens Äther ausgefüllt sei. In Anlehnung an das Pneuma der stoischen Physik wurde der Äther als die verdünnte Luft angesehen, der er seinen Namen verdankt (siehe Äther (Mythologie)). Frühe Theorien über das Licht gingen von einem allgegenwärtigen irdischen und himmlischen Medium aus, durch das sich das Licht ausbreitete. Dieses Konzept bildete auch die Grundlage für Isaac Newtons Erklärungen zur Lichtbrechung und zur Strahlungswärme. In Experimenten des 19. Jahrhunderts zu diesem leuchtenden Äther wurde versucht, einen winzigen Luftwiderstand auf der Erdumlaufbahn nachzuweisen. Zwar bewegt sich die Erde tatsächlich durch ein Medium, das im Vergleich zum interstellaren Raum relativ dicht ist, doch ist der Luftwiderstand so gering, dass er nicht nachgewiesen werden konnte. Im Jahr 1912 bemerkte der Astronom Henry Pickering: "Das interstellare Absorptionsmedium mag zwar einfach der Äther sein, aber es ist charakteristisch für ein Gas, und freie gasförmige Moleküle sind mit Sicherheit vorhanden". ⓘ

Später, im Jahr 1930, schlug Paul Dirac ein Modell des Vakuums als ein unendliches Meer von Teilchen mit negativer Energie vor, das so genannte Diracsche Meer. Diese Theorie trug dazu bei, die Vorhersagen seiner früher formulierten Dirac-Gleichung zu verfeinern, und sagte erfolgreich die Existenz des Positrons voraus, die zwei Jahre später bestätigt wurde. Werner Heisenbergs Unschärferelation, die er 1927 formulierte, sagte eine fundamentale Grenze voraus, innerhalb derer Position und Impuls bzw. Energie und Zeit gemessen werden können. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die "Leere" des Raums zwischen den Teilchen. Im späten 20. Jahrhundert wurden so genannte virtuelle Teilchen, die spontan aus dem leeren Raum entstehen, bestätigt. ⓘ

Die Idee des Vakuums stammt wahrscheinlich von Leukipp oder seinem Schüler Demokrit und war eine tragende Säule des Weltbildes der epikureischen Philosophie. Diese besagt, dass die Materie aus unteilbaren kleinsten Teilchen (Plural: ατόμοι atómoi) aufgebaut ist, die sich im leeren Raum, also im Vakuum, bewegen und nur infolge der Leere des Raumes die Möglichkeit zur Bewegung und Interaktion haben. Diese Annahme wurde sowohl von Platon, der die Existenz von „Nicht-Seiendem“ bestritt, als auch von Aristoteles abgelehnt, da eine Bewegung ohne treibendes Medium als unmöglich erschien. Auch den Raum zwischen den Gestirnen dachte man sich von einem Äther erfüllt. Aristoteles postulierte eine Abneigung der Natur gegen das Leere, die später mit dem lateinischen Ausdruck horror vacui bezeichnet wurde. Im Mittelalter und der frühen Renaissance galt Aristoteles als Autorität. René Descartes war von der Unmöglichkeit eines Vakuums überzeugt, da er aufgrund rationalistischer Überlegungen zu der Ansicht gelangte, Raum und Materie seien wesensmäßig gleich. ⓘ

Die Idee vom Vakuum konnte sich erst durch Demonstrationen durchsetzen. Wohl der erste Philosoph, der die Realexistenz des Vakuums unter widernatürlichen Umständen und technisch erzeugbar annahm, war Clemens Timpler. Das erste irdische (beziehungsweise von Menschen geschaffene) Vakuum wurde 1644 von Evangelista Torricelli mit der Hilfe einer Quecksilbersäule in einem gebogenen Glasrohr hergestellt. Blaise Pascal konnte kurz darauf mit seinem berühmten Versuch vide dans le vide im November 1647 erstmals beweisen, dass ein Vakuum tatsächlich existieren kann. Populär wurde das Vakuum durch Otto von Guericke, dem Erfinder der Luftpumpe. Er spannte im Jahre 1657 Pferde an zwei Metallhalbkugeln (siehe Magdeburger Halbkugeln), aus denen er vorher die Luft herausgesaugt hatte. Der beobachtete Effekt ist allerdings keine direkte Eigenschaft des Vakuums, sondern vielmehr durch den Druck der umgebenden Luft bedingt. ⓘ

Robert Williams Wood beobachtete erstmals 1897 den Tunneleffekt im Vakuum bei der Feldemission von Elektronen, konnte diesen Effekt allerdings noch nicht richtig deuten. ⓘ

Die Streuversuche von Ernest Rutherford zeigten 1911, dass Alphastrahlung eine Goldfolie ohne Widerstand durchqueren kann. Dies zeigte, dass die Masse von Atomen in einem verglichen mit ihrer gesamten Ausdehnung winzigen Kern konzentriert ist. Darauf aufbauend entwarf Niels Bohr ein Modell, nach dem die Elektronen den Atomkern umkreisen, wie die Planeten die Sonne. Im Inneren der Atome und zwischen ihnen schien also ein Vakuum zu herrschen. Obwohl man diese Sichtweise noch gelegentlich in der Literatur antrifft, gilt das Innere der Atome heute als von den Aufenthaltsbereichen der Elektronen (Atomorbitale) ausgefüllt. ⓘ

Nach heutigem Verständnis ist aber wie bereits oben beschrieben auch das Vakuum nicht leer, da selbst der quantenmechanische Grundzustand eine endliche Energiedichte hat, die sich zum Beispiel beim Casimir-Effekt oder spontaner Emission bemerkbar macht. ⓘ

Weitere Persönlichkeiten, die mit der Vakuumtechnik in Verbindung gebrachten werden und signifikante Beiträge geleistet haben, sind Wolfgang Gaede, Marcello Pirani und Rudolf Jaeckel. ⓘ

Klassische Feldtheorien

Das strengste Kriterium zur Definition eines Vakuums ist ein Bereich von Raum und Zeit, in dem alle Komponenten des Spannungs-Energie-Tensors gleich Null sind. Dies bedeutet, dass dieser Bereich frei von Energie und Impuls ist und folglich auch frei von Teilchen und anderen physikalischen Feldern (wie z. B. Elektromagnetismus), die Energie und Impuls enthalten, sein muss. ⓘ

Schwerkraft

In der allgemeinen Relativitätstheorie bedeutet ein verschwindender Spannungs-Energie-Tensor über die Einsteinschen Feldgleichungen, dass alle Komponenten des Ricci-Tensors verschwinden. Vakuum bedeutet nicht, dass die Krümmung der Raumzeit notwendigerweise flach ist: Das Gravitationsfeld kann in einem Vakuum immer noch eine Krümmung in Form von Gezeitenkräften und Gravitationswellen erzeugen (technisch gesehen sind diese Phänomene die Komponenten des Weyl-Tensors). Das Schwarze Loch (mit null elektrischer Ladung) ist ein elegantes Beispiel für einen Bereich, der vollständig mit Vakuum "gefüllt" ist, aber dennoch eine starke Krümmung aufweist. ⓘ

Elektromagnetismus

Im klassischen Elektromagnetismus ist das Vakuum des freien Raums, manchmal auch nur der freie Raum oder das perfekte Vakuum, ein Standard-Referenzmedium für elektromagnetische Effekte. Einige Autoren bezeichnen dieses Referenzmedium als klassisches Vakuum, eine Terminologie, die dieses Konzept vom QED-Vakuum oder QCD-Vakuum abgrenzen soll, wo Vakuumfluktuationen vorübergehende virtuelle Teilchendichten und eine relative Permittivität und relative Permeabilität erzeugen können, die nicht identisch eins sind. ⓘ

In der Theorie des klassischen Elektromagnetismus hat der freie Raum die folgenden Eigenschaften:

• Elektromagnetische Strahlung breitet sich ungehindert mit der Lichtgeschwindigkeit aus, die in SI-Einheiten mit 299.792.458 m/s definiert ist.
• Das Superpositionsprinzip ist immer exakt wahr. Das elektrische Potenzial, das von zwei Ladungen erzeugt wird, ist zum Beispiel die einfache Addition der Potenziale, die von jeder einzelnen Ladung erzeugt werden. Der Wert des elektrischen Feldes an einem beliebigen Punkt in der Umgebung dieser beiden Ladungen wird durch Berechnung der Vektorsumme der beiden elektrischen Felder jeder einzelnen Ladung ermittelt.
• Die Dielektrizitätskonstante und die Permeabilität sind genau die elektrische Konstante ε₀ bzw. die magnetische Konstante μ₀ (in SI-Einheiten) bzw. genau 1 (in Gaußschen Einheiten).
• Die charakteristische Impedanz (η) ist gleich der Impedanz des freien Raums Z₀ ≈ 376,73 Ω. ⓘ

Das Vakuum des klassischen Elektromagnetismus kann als idealisiertes elektromagnetisches Medium mit den konstitutiven Beziehungen in SI-Einheiten betrachtet werden:

${\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},\ t)=\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,$

${\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},\ t)={\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,$

Das elektrische Verschiebungsfeld D steht in Beziehung zum elektrischen Feld E und das magnetische Feld oder H-Feld H zur magnetischen Induktion oder B-Feld B. Dabei ist r ein räumlicher Ort und t die Zeit. ⓘ

Quantenmechanik

Ein Video eines Experiments, das Vakuumfluktuationen (im roten Ring) zeigt, die durch spontane parametrische Abwärtskonversion verstärkt werden. ⓘ

In der Quantenmechanik und der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum definiert als der Zustand (d. h. die Lösung der Gleichungen der Theorie) mit der niedrigstmöglichen Energie (der Grundzustand des Hilbertraums). In der Quantenelektrodynamik wird dieses Vakuum als "QED-Vakuum" bezeichnet, um es vom Vakuum der Quantenchromodynamik zu unterscheiden, das als QCD-Vakuum bezeichnet wird. Das QED-Vakuum ist ein Zustand, in dem es keine Materieteilchen (daher der Name) und keine Photonen gibt. Wie oben beschrieben, ist es unmöglich, diesen Zustand experimentell zu erreichen. (Selbst wenn alle Materieteilchen irgendwie aus einem Volumen entfernt werden könnten, wäre es unmöglich, alle Schwarzkörperphotonen zu eliminieren.) Nichtsdestotrotz stellt es ein gutes Modell für ein realisierbares Vakuum dar und stimmt mit einer Reihe von experimentellen Beobachtungen überein, die im Folgenden beschrieben werden. ⓘ

Das QED-Vakuum hat interessante und komplexe Eigenschaften. Im QED-Vakuum haben die elektrischen und magnetischen Felder Durchschnittswerte von Null, aber ihre Varianzen sind nicht Null. Infolgedessen enthält das QED-Vakuum Vakuumfluktuationen (virtuelle Teilchen, die in die Existenz hinein- und aus ihr heraushüpfen) und eine endliche Energie, die Vakuumenergie. Vakuumfluktuationen sind ein wesentlicher und allgegenwärtiger Bestandteil der Quantenfeldtheorie. Zu den experimentell nachgewiesenen Effekten von Vakuumfluktuationen gehören spontane Emission und die Lamb-Verschiebung. Das Coulomb-Gesetz und das elektrische Potenzial im Vakuum in der Nähe einer elektrischen Ladung werden verändert. ⓘ

Theoretisch können in der QCD mehrere Vakuumzustände koexistieren. Es wird angenommen, dass der Beginn und das Ende der kosmologischen Inflation durch Übergänge zwischen verschiedenen Vakuumzuständen entstanden sind. Bei Theorien, die durch Quantisierung einer klassischen Theorie gewonnen werden, führt jeder stationäre Punkt der Energie im Konfigurationsraum zu einem einzigen Vakuum. Bei der Stringtheorie geht man davon aus, dass es eine große Anzahl von Vakua gibt - die so genannte Stringtheorie-Landschaft. ⓘ

Äußerer Raum

Die Struktur der Magnetosphäre ist kein perfektes Vakuum, sondern ein dünnes Plasma, in dem sich geladene Teilchen, freie Elemente wie Wasserstoff, Helium und Sauerstoff sowie elektromagnetische Felder befinden. ⓘ

Der Weltraum hat eine sehr geringe Dichte und einen sehr geringen Druck und ist die beste physikalische Annäherung an ein perfektes Vakuum. Aber kein Vakuum ist wirklich perfekt, nicht einmal im interstellaren Raum, wo es immer noch ein paar Wasserstoffatome pro Kubikmeter gibt. ⓘ

Sterne, Planeten und Monde halten ihre Atmosphären durch die Anziehungskraft der Schwerkraft aufrecht, und Atmosphären als solche haben keine klar definierte Grenze: Die Dichte des atmosphärischen Gases nimmt einfach mit der Entfernung vom Objekt ab. Der Atmosphärendruck der Erde fällt in 100 Kilometern Höhe auf etwa 32 Millipascal (4,6×10-6 psi) ab, die Kármán-Linie, die eine gängige Definition der Grenze zum Weltraum darstellt. Jenseits dieser Linie wird der isotrope Gasdruck im Vergleich zum Strahlungsdruck der Sonne und dem dynamischen Druck der Sonnenwinde schnell unbedeutend, so dass die Definition des Drucks schwierig zu interpretieren ist. Die Thermosphäre weist in diesem Bereich große Druck-, Temperatur- und Zusammensetzungsgradienten auf und unterliegt aufgrund des Weltraumwetters starken Schwankungen. Astrophysiker ziehen es vor, diese Umgebung mit der Zahlendichte zu beschreiben, die in Teilchen pro Kubikzentimeter angegeben wird. ⓘ

Doch obwohl sie der Definition des Weltraums entspricht, ist die atmosphärische Dichte in den ersten paar hundert Kilometern oberhalb der Kármán-Linie immer noch ausreichend, um einen erheblichen Luftwiderstand an Satelliten zu erzeugen. Die meisten künstlichen Satelliten befinden sich in diesem Bereich, der als niedrige Erdumlaufbahn bezeichnet wird, und müssen ihre Triebwerke alle paar Wochen oder einige Male im Jahr (je nach Sonnenaktivität) zünden. Der Luftwiderstand ist hier so gering, dass er theoretisch durch den Strahlungsdruck auf Sonnensegel, ein vorgeschlagenes Antriebssystem für interplanetare Reisen, überwunden werden könnte. Planeten sind zu massiv, als dass ihre Flugbahnen von diesen Kräften nennenswert beeinflusst werden könnten, obwohl ihre Atmosphären durch die Sonnenwinde abgetragen werden. ⓘ

Das gesamte beobachtbare Universum ist mit einer großen Anzahl von Photonen, der so genannten kosmischen Hintergrundstrahlung, und höchstwahrscheinlich auch mit einer entsprechend großen Anzahl von Neutrinos gefüllt. Die derzeitige Temperatur dieser Strahlung beträgt etwa 3 K (-270,15 °C; -454,27 °F). ⓘ

Messung

Die Qualität eines Vakuums wird durch die Menge der im System verbliebenen Materie angegeben, so dass ein hochwertiges Vakuum ein Vakuum ist, in dem nur noch sehr wenig Materie vorhanden ist. Das Vakuum wird in erster Linie durch seinen absoluten Druck gemessen, aber für eine vollständige Charakterisierung sind weitere Parameter erforderlich, wie z. B. die Temperatur und die chemische Zusammensetzung. Einer der wichtigsten Parameter ist die mittlere freie Weglänge (MFP) von Restgasen, die die durchschnittliche Entfernung angibt, die Moleküle zwischen Kollisionen miteinander zurücklegen. Wenn die mittlere freie Weglänge länger ist als die Kammer, die Pumpe, das Raumfahrzeug oder andere vorhandene Objekte, gelten die Kontinuumsannahmen der Strömungsmechanik nicht mehr. Dieser Vakuumzustand wird als Hochvakuum bezeichnet, und die Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen in diesem Bereich wird als Teilchengasdynamik bezeichnet. Die MFP von Luft bei Atmosphärendruck ist sehr kurz, 70 nm, aber bei 100 mPa (~1×10-3 Torr) beträgt die MFP von Luft bei Raumtemperatur etwa 100 mm, was in der Größenordnung von Alltagsgegenständen wie Vakuumröhren liegt. Das Crookes-Radiometer dreht sich, wenn der MFP größer ist als die Größe der Schaufeln. ⓘ

Die Vakuumqualität wird je nach der zu ihrer Erreichung oder Messung erforderlichen Technologie in verschiedene Bereiche eingeteilt. Diese Bereiche wurden in ISO 3529-1:2019 wie in der folgenden Tabelle dargestellt definiert (100 Pa entsprechen 0,75 Torr; Torr ist eine Nicht-SI-Einheit):

Druckbereich	Definition	Die Definition der Bereiche wird wie folgt begründet (typische Umstände): ⓘ
Vorherrschender atmosphärischer Druck (31 kPa bis 110 kPa) bis 100 Pa	geringes (Grob-)Vakuum	Der Druck kann mit einfachen Materialien (z. B. normalem Stahl) und Verdränger-Vakuumpumpen erreicht werden; viskoses Strömungsregime für Gase
<100 Pa bis 0,1 Pa	mittleres (feines) Vakuum	Druck kann durch aufwendige Werkstoffe (z.B. Edelstahl) und Verdränger-Vakuumpumpen erreicht werden; Übergangsströmung für Gase
<0,1 Pa bis 1×10-6 Pa	Hochvakuum (HV)	Druck kann durch aufwendige Werkstoffe (z.B. Edelstahl), Elastomerdichtungen und Hochvakuumpumpen erreicht werden; molekulares Strömungsregime für Gase
<1×10-6 Pa bis 1×10-9 Pa	Ultrahochvakuum (UHV)	Druck kann durch aufwendige Materialien (z. B. kohlenstoffarmer Edelstahl), Metalldichtungen, spezielle Oberflächenvorbereitungen und -reinigungen, Ausheizen und Hochvakuumpumpen erreicht werden; molekulares Strömungsverhalten für Gase
unter 1×10-9 Pa	Extrem-Hochvakuum (XHV)	Der Druck kann durch hochentwickelte Materialien (z. B. vakuumgeheizter kohlenstoffarmer Edelstahl, Aluminium, Kupfer-Beryllium, Titan), Metalldichtungen, spezielle Oberflächenvorbereitungen und -reinigungen, Ausheizen und zusätzliche Getterpumpen erreicht werden; molekulares Durchflussregime für Gase

• Der Atmosphärendruck ist variabel, aber standardisiert auf 101,325 kPa (760 Torr).
• Der Weltraum ist im Allgemeinen viel leerer als jedes künstliche Vakuum. Er kann der obigen Definition des Hochvakuums entsprechen oder auch nicht, je nachdem, welche Region des Weltraums und welche astronomischen Körper betrachtet werden. Der MFP des interplanetaren Raums ist zum Beispiel kleiner als die Größe des Sonnensystems, aber größer als kleine Planeten und Monde. Daher weisen die Sonnenwinde eine Kontinuumsströmung in der Größenordnung des Sonnensystems auf, müssen aber in Bezug auf die Erde und den Mond als Teilchenbombardement betrachtet werden.
• Das perfekte Vakuum ist ein idealer Zustand, in dem es keinerlei Teilchen gibt. Er kann in einem Labor nicht erreicht werden, auch wenn es kleine Volumina gibt, in denen für einen kurzen Moment keine Materieteilchen vorhanden sind. Selbst wenn alle Materieteilchen entfernt würden, gäbe es immer noch Photonen und Gravitonen sowie dunkle Energie, virtuelle Teilchen und andere Aspekte des Quantenvakuums. ⓘ

Relative versus absolute Messung

Vakuum wird in Druckeinheiten gemessen, in der Regel als Subtraktion relativ zum atmosphärischen Druck auf der Erde. Die Menge des relativ messbaren Vakuums hängt jedoch von den örtlichen Gegebenheiten ab. Auf der Oberfläche der Venus, wo der atmosphärische Druck in Bodennähe viel höher ist als auf der Erde, wären viel höhere relative Vakuummesswerte möglich. Auf der Oberfläche des Mondes, wo es fast keine Atmosphäre gibt, wäre es äußerst schwierig, ein messbares Vakuum im Vergleich zur örtlichen Umgebung zu erzeugen. ⓘ

In ähnlicher Weise sind in den Tiefen des Erdozeans sehr viel höhere relative Vakuummesswerte möglich als auf der Erde. Ein U-Boot, das bis zu einer Tiefe von 10 Atmosphären (98 m) einen Innendruck von 1 Atmosphäre aufrechterhält (eine 9,8 m hohe Meerwassersäule entspricht dem Gewicht von 1 atm), ist praktisch eine Vakuumkammer, die den erdrückenden Wasserdruck von außen fernhält, auch wenn die 1 atm im Inneren des U-Boots normalerweise nicht als Vakuum angesehen werden. ⓘ

Um die folgenden Ausführungen zur Vakuummessung richtig zu verstehen, ist es daher wichtig, dass der Leser davon ausgeht, dass die relativen Messungen auf der Erde auf Meereshöhe und bei genau 1 Atmosphäre Umgebungsdruck durchgeführt werden. ⓘ

Messungen relativ zu 1 atm

Ein gläsernes McLeod-Manometer, aus dem Quecksilber abgelassen wurde atm ⓘ

Die SI-Einheit des Drucks ist das Pascal (Symbol Pa), aber das Vakuum wird oft in Torr gemessen, benannt nach dem italienischen Physiker Torricelli (1608-1647). Ein Torr entspricht der Verschiebung von einem Millimeter Quecksilber (mmHg) in einem Manometer, wobei 1 Torr 133,3223684 Pascal über dem absoluten Nullpunkt entspricht. Das Vakuum wird oft auch auf der barometrischen Skala oder als Prozentsatz des atmosphärischen Drucks in Bar oder Atmosphären gemessen. Niedrigvakuum wird oft in Millimeter Quecksilber (mmHg) oder Pascal (Pa) unter dem Standardatmosphärendruck gemessen. "Unterhalb des atmosphärischen Drucks" bedeutet, dass der absolute Druck gleich dem aktuellen atmosphärischen Druck ist. atm ⓘ

Mit anderen Worten: Die meisten Unterdruckmessgeräte zeigen z. B. 50,79 Torr an. Viele preiswerte Niedervakuummessgeräte haben eine Fehlermarge und können ein Vakuum von 0 Torr anzeigen, aber in der Praxis erfordert dies im Allgemeinen eine zweistufige Drehschieber- oder eine andere mittlere Vakuumpumpe, um weit über (unter) 1 Torr hinauszugehen. atm ⓘ

Messgeräte

Zur Messung des Drucks in einem Vakuum werden viele Geräte verwendet, je nachdem, welcher Bereich des Vakuums benötigt wird. ⓘ

Hydrostatische Messgeräte (wie das Quecksilbermanometer) bestehen aus einer vertikalen Flüssigkeitssäule in einem Rohr, dessen Enden unterschiedlichen Drücken ausgesetzt sind. Die Säule steigt oder fällt, bis ihr Gewicht im Gleichgewicht mit dem Druckunterschied zwischen den beiden Enden des Rohrs ist. Die einfachste Konstruktion ist ein U-förmiges Rohr mit geschlossenem Ende, dessen eine Seite mit dem zu untersuchenden Bereich verbunden ist. Es kann jede beliebige Flüssigkeit verwendet werden, aber Quecksilber wird wegen seiner hohen Dichte und seines niedrigen Dampfdrucks bevorzugt. Einfache hydrostatische Messgeräte können Drücke von 1 Torr (100 Pa) bis über den Atmosphärendruck hinaus messen. Eine wichtige Variante ist das McLeod-Manometer, das ein bekanntes Vakuumvolumen isoliert und komprimiert, um die Höhenänderung der Flüssigkeitssäule zu multiplizieren. Das McLeod-Messgerät kann ein Vakuum von bis zu 10-6 Torr (0,1 mPa) messen, was die niedrigste direkte Druckmessung ist, die mit der derzeitigen Technologie möglich ist. Andere Vakuummessgeräte können niedrigere Drücke messen, allerdings nur indirekt durch Messung anderer druckgesteuerter Eigenschaften. Diese indirekten Messungen müssen über eine direkte Messung kalibriert werden, meist mit einem McLeod-Manometer. ⓘ

Das Kenotometer ist eine besondere Art von hydrostatischem Messgerät, das typischerweise in Kraftwerken mit Dampfturbinen eingesetzt wird. Das Kenotometer misst den Unterdruck im Dampfraum des Kondensators, d. h. im Auslass der letzten Turbinenstufe. ⓘ

Mechanische oder elastische Messgeräte basieren auf einer Rohrfeder, einer Membran oder einer Kapsel, die in der Regel aus Metall besteht und ihre Form in Abhängigkeit vom Druck in dem betreffenden Bereich ändert. Eine Abwandlung dieser Idee ist das Kapazitätsmanometer, bei dem die Membran einen Teil eines Kondensators darstellt. Eine Druckänderung führt zu einer Biegung der Membran und damit zu einer Änderung der Kapazität. Diese Messgeräte sind von 10³ Torr bis 10-4 Torr und darüber hinaus wirksam. ⓘ

Wärmeleitfähigkeitsmessgeräte beruhen auf der Tatsache, dass die Fähigkeit eines Gases, Wärme zu leiten, mit dem Druck abnimmt. Bei dieser Art von Messgeräten wird ein Drahtfaden erhitzt, indem Strom durch ihn fließt. Ein Thermoelement oder ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD) kann dann verwendet werden, um die Temperatur des Drahtes zu messen. Diese Temperatur ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der der Draht Wärme an das umgebende Gas abgibt, und damit von der Wärmeleitfähigkeit. Eine gängige Variante ist das Pirani-Messgerät, bei dem ein einzelner Platinfaden sowohl als Heizelement als auch als RTD verwendet wird. Diese Messgeräte haben eine Genauigkeit von 10 Torr bis 10-3 Torr, sind aber empfindlich gegenüber der chemischen Zusammensetzung der gemessenen Gase. ⓘ

Ionisationsmessgeräte werden im Ultrahochvakuum eingesetzt. Es gibt zwei Typen: Heißkathoden- und Kaltkathodenmessgeräte. Bei der Heißkathodenversion erzeugt ein elektrisch beheizter Glühfaden einen Elektronenstrahl. Die Elektronen wandern durch das Messgerät und ionisieren die sie umgebenden Gasmoleküle. Die dabei entstehenden Ionen werden an einer negativen Elektrode aufgefangen. Der Strom hängt von der Anzahl der Ionen ab, die wiederum vom Druck im Messgerät abhängt. Heißkathodenmessgeräte haben eine Genauigkeit von 10-3 Torr bis 10-10 Torr. Das Prinzip der Kaltkathodenversion ist dasselbe, nur dass die Elektronen in einer Entladung erzeugt werden, die durch eine elektrische Hochspannungsentladung erzeugt wird. Kaltkathodenmessgeräte haben eine Genauigkeit von 10-2 Torr bis 10-9 Torr. Die Kalibrierung von Ionisationsmessgeräten ist sehr empfindlich gegenüber der Konstruktionsgeometrie, der chemischen Zusammensetzung der gemessenen Gase, Korrosion und Oberflächenablagerungen. Ihre Kalibrierung kann durch Aktivierung bei atmosphärischem Druck oder niedrigem Vakuum ungültig werden. Die Zusammensetzung von Gasen im Hochvakuum ist in der Regel nicht vorhersehbar, so dass für genaue Messungen ein Massenspektrometer zusammen mit dem Ionisationsmessgerät verwendet werden muss. ⓘ

Verwendet

Glühbirnen enthalten ein Teilvakuum, das in der Regel mit Argon gefüllt ist und den Wolframdraht schützt. ⓘ

Vakuum ist in einer Vielzahl von Verfahren und Geräten nützlich. Seine erste weit verbreitete Anwendung fand es in der Glühbirne, um den Glühfaden vor chemischem Abbau zu schützen. Die durch das Vakuum erzeugte chemische Inertheit ist auch beim Elektronenstrahlschweißen, Kaltschweißen, Vakuumverpacken und Vakuumfritieren von Nutzen. Ultrahochvakuum wird bei der Untersuchung von atomar sauberen Substraten verwendet, da nur ein sehr gutes Vakuum atomar saubere Oberflächen über einen relativ langen Zeitraum (in der Größenordnung von Minuten bis Tagen) bewahrt. Im Hoch- bis Ultrahochvakuum wird die Luft als Hindernis beseitigt, so dass Teilchenstrahlen Materialien ohne Verunreinigung abscheiden oder entfernen können. Dies ist das Prinzip der chemischen Gasphasenabscheidung, der physikalischen Gasphasenabscheidung und des Trockenätzens, die für die Herstellung von Halbleitern und optischen Beschichtungen sowie für die Oberflächenforschung unerlässlich sind. Die Verringerung der Konvektion sorgt für die Wärmeisolierung von Thermosflaschen. Tiefes Vakuum senkt den Siedepunkt von Flüssigkeiten und fördert die Ausgasung bei niedrigen Temperaturen, was bei der Gefriertrocknung, der Klebstoffherstellung, der Destillation, der Metallurgie und der Prozessreinigung genutzt wird. Die elektrischen Eigenschaften des Vakuums machen Elektronenmikroskope und Vakuumröhren möglich, einschließlich Kathodenstrahlröhren. Vakuumunterbrecher werden in elektrischen Schaltanlagen eingesetzt. Vakuumlichtbogenverfahren sind industriell wichtig für die Herstellung bestimmter Stahlsorten oder hochreiner Materialien. Die Beseitigung der Luftreibung ist nützlich für Schwungrad-Energiespeicher und Ultrazentrifugen. ⓘ

Diese Flachwasserbrunnenpumpe reduziert den atmosphärischen Luftdruck im Inneren der Pumpenkammer. Der atmosphärische Druck reicht bis in den Brunnen hinunter und drückt das Wasser durch das Rohr in die Pumpe, um den reduzierten Druck auszugleichen. Oberirdische Pumpenkammern sind nur bis zu einer Tiefe von etwa 9 Metern wirksam, da das Gewicht der Wassersäule den atmosphärischen Druck ausgleicht. ⓘ

Technische Vakua finden Anwendung in der Forschung, in der Elektronenmikroskopie, bei der Erschmelzung von metallischen Werkstoffen und in der Fertigung von Mikroelektronik. Ein Grobvakuum wird häufig verwendet, um mit Hilfe von Sauggreifern flächige Werkstücke festzuhalten und/oder zu transportieren. ⓘ

Sehr oft wird Vakuum bei der Wärmebehandlung von Metallen (Härten, Anlassen, Nitridieren, Aufkohlen) eingesetzt, um ein Oxidieren durch Sauerstoff, der sich in der Luft befindet, zu verhindern. ⓘ

Glühlampen und somit das elektrische Licht wurden erst durch das Vakuum möglich. Vor allem bei Edisons Glühlampe mit Kohlefaden verhinderte das Vakuum, dass der Glühfaden verbrannte (siehe auch Kohlenfadenlampe); erst später wurden Glühlampen mit einer Füllung aus Stickstoff oder anderem Gas, das die Verbrennung nicht unterstützt, hergestellt. ⓘ

Im Innenraum von Elektronenröhren und Bildröhren herrscht Hochvakuum, um die Streuung der Elektronen gering zu halten. Verbleibende und später ausdiffundierende Gasreste werden mit einem Getter gebunden. Das Hochvakuum in Elektronenröhren (auch Bildröhren), Röntgenröhren, Magnetrons, Elektronenstrahlquellen, Teilchenbeschleunigern, Vakuum-Fluoreszenzanzeigen u. Ä. vergrößert die freie Weglänge der Elektronen auf ein Maß von der Größenordnung des gesamten Gefäßes, so dass kaum Stöße mit Gasresten stattfinden, die sonst den Teilchenstrahl stören würden. ⓘ

Vakuumbetriebene Maschinen

Vakuumpumpen werden häufig zur Erzeugung von Unterdruck eingesetzt, der eine noch größere Vielfalt von Anwendungen hat. Die Newcomen-Dampfmaschine nutzte Vakuum anstelle von Druck, um einen Kolben anzutreiben. Im 19. Jahrhundert wurde das Vakuum für den Antrieb der experimentellen atmosphärischen Eisenbahn von Isambard Kingdom Brunel verwendet. Vakuumbremsen waren früher bei Zügen im Vereinigten Königreich weit verbreitet, wurden aber, außer bei historischen Eisenbahnen, durch Druckluftbremsen ersetzt. ⓘ

Das Unterdrucksystem kann zum Antrieb von Zubehörteilen in Autos verwendet werden. Die bekannteste Anwendung ist das Vakuumservo, das zur Unterstützung der Bremsen eingesetzt wird. Zu den veralteten Anwendungen gehören vakuumbetriebene Scheibenwischer und Autovac-Kraftstoffpumpen. Einige Flugzeuginstrumente (Attitude Indicator (AI) und Heading Indicator (HI)) sind in der Regel vakuumbetrieben, um sich vor dem Ausfall aller (elektrisch betriebenen) Instrumente zu schützen, da frühe Flugzeuge oft nicht über elektrische Systeme verfügten und da es in einem sich bewegenden Flugzeug zwei leicht verfügbare Vakuumquellen gibt: den Motor und ein externes Venturi. Beim Vakuum-Induktionsschmelzen wird die elektromagnetische Induktion in einem Vakuum genutzt. ⓘ

Die Aufrechterhaltung eines Vakuums im Kondensator ist ein wichtiger Aspekt für den effizienten Betrieb von Dampfturbinen. Zu diesem Zweck wird ein Dampfstrahl-Ejektor oder eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe eingesetzt. Das typische Vakuum, das im Kondensatorraum am Auslass der Turbine aufrechterhalten wird (auch Kondensatorgegendruck genannt), liegt zwischen 5 und 15 kPa (absolut), je nach Art des Kondensators und der Umgebungsbedingungen. ⓘ

Ausgasen

Die Verdampfung und Sublimation in ein Vakuum wird als Ausgasung bezeichnet. Alle Stoffe, ob fest oder flüssig, haben einen geringen Dampfdruck, und ihre Ausgasung wird wichtig, wenn der Vakuumdruck unter diesen Dampfdruck fällt. Die Ausgasung hat die gleiche Wirkung wie ein Leck und begrenzt das erreichbare Vakuum. Ausgasende Produkte können auf nahe gelegenen kälteren Oberflächen kondensieren, was problematisch sein kann, wenn sie optische Instrumente verdecken oder mit anderen Materialien reagieren. Dies ist bei Weltraummissionen von großer Bedeutung, da ein verdecktes Teleskop oder eine verdeckte Solarzelle eine teure Mission zunichte machen kann. ⓘ

Das am häufigsten auftretende Ausgasungsprodukt in Vakuumsystemen ist Wasser, das von den Kammermaterialien absorbiert wird. Es kann durch Austrocknen oder Ausheizen der Kammer und durch Entfernen absorbierender Materialien reduziert werden. Ausgasendes Wasser kann im Öl von Drehschieberpumpen kondensieren und deren Nettodrehzahl drastisch verringern, wenn kein Gasballast verwendet wird. Hochvakuumsysteme müssen sauber und frei von organischen Stoffen sein, um die Ausgasung zu minimieren. ⓘ

Ultrahochvakuumsysteme werden in der Regel ausgeheizt, vorzugsweise unter Vakuum, um den Dampfdruck aller ausgasenden Stoffe vorübergehend zu erhöhen und sie zu verdampfen. Sobald der Großteil der ausgasenden Stoffe verdampft und evakuiert ist, kann das System gekühlt werden, um den Dampfdruck zu senken und die Restausgasung während des eigentlichen Betriebs zu minimieren. Einige Systeme werden mit flüssigem Stickstoff weit unter Raumtemperatur gekühlt, um die Restausgasung zu stoppen und gleichzeitig das System zu kryopumpen. ⓘ

Pumpen und Umgebungsluftdruck

Bei Tiefbrunnen befindet sich die Pumpenkammer unten im Brunnen nahe der Wasseroberfläche oder im Wasser. Eine "Saugstange" erstreckt sich vom Griff in der Mitte des Rohrs bis tief in den Brunnen, um den Kolben zu betätigen. Der Pumpengriff wirkt als schweres Gegengewicht sowohl gegen das Gewicht der Saugstange als auch gegen das Gewicht der Wassersäule, die auf dem oberen Plunger bis zum Bodenniveau steht. ⓘ

Flüssigkeiten können im Allgemeinen nicht gezogen werden, so dass durch Saugen kein Vakuum erzeugt werden kann. Durch Saugen kann man ein Vakuum ausbreiten und verdünnen, indem ein höherer Druck Flüssigkeiten hineindrückt, aber das Vakuum muss erst erzeugt werden, bevor man saugen kann. Der einfachste Weg, ein künstliches Vakuum zu erzeugen, besteht darin, das Volumen eines Behälters zu vergrößern. So dehnt beispielsweise der Zwerchfellmuskel den Brustraum aus, wodurch sich das Volumen der Lunge vergrößert. Durch diese Ausdehnung verringert sich der Druck und es entsteht ein Teilvakuum, das bald durch die vom Atmosphärendruck eingedrückte Luft gefüllt wird. ⓘ

Um eine Kammer unendlich lange evakuieren zu können, ohne dass ein unendliches Wachstum erforderlich ist, kann ein Teil des Vakuums immer wieder verschlossen, abgesaugt und erneut ausgedehnt werden. Dies ist das Prinzip der Verdrängerpumpen, wie z. B. der manuellen Wasserpumpe. Im Inneren der Pumpe dehnt ein Mechanismus einen kleinen abgedichteten Hohlraum aus, um ein Vakuum zu erzeugen. Aufgrund des Druckunterschieds wird etwas Flüssigkeit aus der Kammer (oder dem Brunnen, in unserem Beispiel) in den kleinen Hohlraum der Pumpe gedrückt. Der Hohlraum der Pumpe wird dann von der Kammer abgedichtet, zur Atmosphäre hin geöffnet und wieder auf eine winzige Größe zusammengepresst. ⓘ

Schnitt durch eine Turbomolekularpumpe, eine Impulstransferpumpe zur Erzeugung von Hochvakuum ⓘ

Die obige Erklärung ist nur eine einfache Einführung in das Thema Vakuumpumpen und ist nicht repräsentativ für die gesamte Palette der verwendeten Pumpen. Es wurden viele Varianten der Verdrängerpumpe entwickelt, und viele andere Pumpen beruhen auf grundlegend anderen Prinzipien. Momentum-Transfer-Pumpen, die einige Ähnlichkeiten mit dynamischen Pumpen aufweisen, die bei höheren Drücken eingesetzt werden, können ein viel höheres Qualitätsvakuum erreichen als Verdrängerpumpen. Entrapment-Pumpen können Gase in festem oder absorbiertem Zustand einfangen, oft ohne bewegliche Teile, ohne Dichtungen und ohne Vibrationen. Keine dieser Pumpen ist universell einsetzbar; jeder Pumpentyp hat erhebliche Leistungseinschränkungen. Allen gemeinsam ist die Schwierigkeit, Gase mit niedrigem Molekulargewicht zu pumpen, insbesondere Wasserstoff, Helium und Neon. ⓘ

Der niedrigste Druck, der in einem System erreicht werden kann, hängt auch von vielen anderen Faktoren als der Art der Pumpen ab. Um höhere Vakua zu erreichen, können mehrere Pumpen in Reihe geschaltet werden, so genannte Stufen. Auch die Wahl der Dichtungen, der Kammergeometrie, der Werkstoffe und der Abpumpverfahren hat einen Einfluss. All diese Faktoren werden als Vakuumtechnik bezeichnet. Und manchmal ist der Enddruck nicht das einzige relevante Merkmal. Die Pumpensysteme unterscheiden sich durch Ölverschmutzung, Vibrationen, bevorzugtes Abpumpen bestimmter Gase, Abpumpgeschwindigkeiten, intermittierende Arbeitszyklen, Zuverlässigkeit oder Toleranz gegenüber hohen Leckraten. ⓘ

In Ultrahochvakuumsystemen müssen einige sehr "seltsame" Leckagepfade und Ausgasungsquellen berücksichtigt werden. Die Wasseraufnahme von Aluminium und Palladium wird zu einer inakzeptablen Ausgasungsquelle, und auch die Adsorptionsfähigkeit von Hartmetallen wie Edelstahl oder Titan muss berücksichtigt werden. Einige Öle und Fette sieden in extremen Vakua ab. Die Durchlässigkeit der metallischen Kammerwände muss eventuell berücksichtigt werden, und die Faserrichtung der metallischen Flansche sollte parallel zur Flanschfläche verlaufen. ⓘ

Die niedrigsten Drücke, die derzeit im Labor erreicht werden können, liegen bei etwa 1×10-13 Torr (13 pPa). Indirekt wurden jedoch in einem kryogenen Vakuumsystem bei 4 K (-269,15 °C; -452,47 °F) Drücke von bis zu 5×10-17 torrs (6,7 fPa) gemessen. Dies entspricht ≈100 Teilchen/cm³. ⓘ

Um ein Hoch- oder Ultrahochvakuum zu erzeugen, werden in der Physik und der Oberflächenchemie üblicherweise mehrere Pumpentypen eingesetzt. Zunächst wird mit einer oder mehreren mechanisch wirkenden Pumpen (z. B. Drehschieberpumpe, Membranpumpe oder Scrollpumpe) ein Unterdruck („Vordruck“) im Hohlraum im Bereich von 1 bis 100 Pa (0,01 bis 1 mbar) erzeugt. Abhängig von der Größe des Hohlraums und der Pumpleistung der Pumpen dauert dies beispielsweise einige Minuten. Danach wird mittels Ventilen zwischen diese Vorpumpe(n) und den Hohlraum eine Turbomolekularpumpe (oder bei geringeren Ansprüchen die billigere Öldiffusionspumpe) eingefügt, die in einem bis zu mehreren Stunden dauernden Prozess ein Hochvakuum von ungefähr 10⁻⁷ mbar (10 μPa) erzeugt. Dieser Druck lässt sich nicht mehr durch einfaches Fortsetzen des Pumpens verringern, da an Flächen adsorbiertes Wasser und andere Stoffe mit niedrigem Dampfdruck ständig desorbiert werden. ⓘ

Die Desorption wird beschleunigt, indem die Kammer durch direkte Heizung der Kammerwände und indirekte thermische Erwärmung der inneren Oberflächen auf eine Temperatur gebracht wird, die mindestens über dem Siedepunkt von Wasser, möglichst aber deutlich höher liegt. Die eingebauten Komponenten, wie Durchführungen für elektrische Verbindungen und Sichtfenster, müssen entsprechend temperaturbeständig sein. Temperaturen für dieses Ausheizen liegen typischerweise zwischen 130 °C und über 200 °C. Da Vakuumapparaturen auch bei dieser Temperatur dem außen vorhandenen Luftsauerstoff widerstehen müssen, sind sie oft aus nichtrostendem Stahl oder Glas, mit Dichtungen aus Aluminium oder Teflon. ⓘ

Das desorbierte Wasser wird während des Ausheizens durch die Turbomolekularpumpen größtenteils abgepumpt, ebenso wie eventuelle Kohlenwasserstoff-Kontaminationen. Dies dauert typischerweise 24 Stunden oder länger; bei Kammern mit komplex angeordneten inneren Oberflächen durch angebaute Apparaturen wird oft erst nach zwei bis drei Tagen die Heizung heruntergefahren. ⓘ

Evakuieren als Fertigungsverfahren (DIN 8580)

Nach DIN 8580 Fertigungsverfahren – Begriffe, Einteilung gehört das Evakuieren zu den Fertigungsverfahren, womit die Herstellung eines Vakuums in Hohlkörpern oder Hohlräumen eines Werkstücks gemeint ist. Es kann sich dabei um ein dauerhaftes Vakuum handeln, das zur Funktion des Werkstücks erforderlich ist, wie bei Elektronenröhren, oder das Evakuieren ist die Voraussetzung für das Einfüllen eines Schutzgases, wie es in der elektrischen Schalttechnik zur Funkenlöschung Verwendung findet. ⓘ

Vakuum in der Verfahrenstechnik

Die Entgasung unter Vakuum gehört dagegen als ein sogenanntes Trennverfahren zum Bereich der Verfahrenstechnik. Beim Kernschritt der Plastination, der forcierten Imprägnierung, wird Vakuum benutzt, um Aceton oder Dichlormethan aus dem Präparat zu extrahieren. ⓘ

Die Gefriertrocknung entzieht Stoffen Wasser, indem sie tiefgefroren und einem Vakuum ausgesetzt werden. Beim Gefriertrocknen etwa von Kaffee, Tee, Gemüse, Blut oder auch biologischen Präparaten findet Sublimation statt, das Eis geht direkt in die Gasphase über, es gibt hierbei keine flüssige Phase, die sieden könnte. ⓘ

Der Kristallisationsprozess in der Zuckerfabrikation findet unter Vakuum statt, um durch den niedrigeren Siedepunkt der Zuckerlösung beim Wasserentzug ein Karamellisieren zu verhindern. ⓘ

Vakuum in der Chemie

Da der Siedepunkt von Flüssigkeiten mit abnehmendem Umgebungsdruck ebenfalls sinkt, kann man hochsiedende Substanzen im Vakuum schonender bei niedrigeren Temperaturen destillieren (Vakuumdestillation). Als grobe Regel gilt, dass bei einer Halbierung des Druckes der Siedepunkt um etwa 10 bis 15 K sinkt. ⓘ

Vakuum zur Konservierung und zum Vakuumgaren

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Verpackung von Lebensmitteln (Vakuumverpackung) und anderer verderblicher Produkte unter Vakuum. Die verderblichen Produkte werden von gasdichten Kunststoffhüllen umschlossen. Durch die geringe verbleibende Luftsauerstoffmenge können Alterungs- und Verwesungsvorgänge (Stoffwechsel- und Oxidationsprozesse) nur stark eingeschränkt stattfinden, was das Produkt länger haltbar macht. ⓘ

Im Haushalt können Lebensmittel in Tüten verpackt und mit Vakuumiergeräten evakuiert werden, so dass sich die Tütenfolie an das verpackte Gut anlegt; dadurch gelangt weniger Sauerstoff an die Lebensmittel. Zusätzlich verringert sich das Volumen. Die verwendeten Vakuumiergeräte können jedoch nur ein Grobvakuum erzeugen. ⓘ

Beim Einwecken/Einkochen werden die Lebensmittel sterilisiert und eventuell enthaltene Gase ausgetrieben; im Einweckglas kann der verbleibende „Luftraum“ weitgehend durch Wasserdampf eingenommen werden. Durch die Dichtungsringe bleibt ein besseres Grobvakuum über längere Zeiträume erhalten; restliche Luftanteile sind ebenfalls sterilisiert. ⓘ

Beim Vakuumgaren werden die vakuumverpackten Nahrungsmittel (Fleisch, Gemüse usw.) entweder im Wasserbad oder in temperaturgeregeltem Dampf bei Temperaturen unter 100 °C gegart und behalten so Struktur und Aroma besser als bei den üblichen Garverfahren. Beim Vakuumfrittieren z. B. von Kartoffelchips geht es vor allem darum, durch die niedrigeren Temperaturen beim Frittieren die Entstehung schädlicher Nebenprodukte der Maillard-Reaktion wie z. B. Acrylamid zu verhindern bzw. zu reduzieren. ⓘ

Vakuum als Wärmeisolator

Die geringe Wärmeübertragung im Vakuum wird bei Isolierkannen und Dewargefäßen ausgenutzt, ebenso bei Vakuumröhrenkollektoren und selten auch bei Mehrscheiben-Isolierglas und Vakuumdämmplatten. ⓘ

Es gibt Zweischeiben-Isolierglas, bei dem zwischen den Scheiben ein Vakuum statt eines Edelgases ist. Weil sich die beiden Scheiben unter dem einseitig auf den Scheiben lastenden Luftdruck verformen, sind unscheinbare transparente Abstandshalter zwischen den Scheiben auf die Fläche verteilt erforderlich. Ergebnis ist eine vergleichsweise dünne und leichte Verglasung mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. ⓘ

Auswirkungen auf Menschen und Tiere

Das Gemälde An Experiment on a Bird in the Air Pump von Joseph Wright of Derby, 1768, stellt ein Experiment von Robert Boyle aus dem Jahr 1660 dar. ⓘ

Menschen und Tiere, die einem Unterdruck ausgesetzt sind, verlieren nach wenigen Sekunden das Bewusstsein und sterben innerhalb von Minuten an Hypoxie, aber die Symptome sind nicht annähernd so anschaulich, wie sie in den Medien und in der Populärkultur häufig dargestellt werden. Der Druckabfall senkt die Temperatur, bei der das Blut und andere Körperflüssigkeiten sieden, aber der elastische Druck der Blutgefäße sorgt dafür, dass dieser Siedepunkt über der inneren Körpertemperatur von 37 °C bleibt. Auch wenn das Blut nicht kocht, ist die Bildung von Gasblasen in den Körperflüssigkeiten bei reduziertem Druck, der so genannte Ebullismus, immer noch ein Problem. Das Gas kann den Körper auf das Doppelte seiner normalen Größe aufblähen und den Blutkreislauf verlangsamen, aber das Gewebe ist elastisch und porös genug, um einen Riss zu verhindern. Schwellungen und Ebullismus können durch die Einschließung in einem Fluganzug eingedämmt werden. Shuttle-Astronauten trugen einen elastischen Anzug, den Crew Altitude Protection Suit (CAPS), der schon bei einem Druck von 2 kPa (15 Torr) Ebullismus verhindert. Schnelles Sieden kühlt die Haut ab und verursacht Frost, vor allem im Mund, aber das ist keine große Gefahr. ⓘ

Tierversuche zeigen, dass eine schnelle und vollständige Erholung bei einer Exposition von weniger als 90 Sekunden normal ist, während eine längere Ganzkörperexposition tödlich ist und Wiederbelebungsmaßnahmen nie erfolgreich waren. Eine Studie der NASA an acht Schimpansen ergab, dass alle von ihnen eine zweieinhalbminütige Vakuum-Exposition überlebten. Es gibt nur eine begrenzte Anzahl von Daten über Unfälle beim Menschen, aber sie stimmen mit den Tierdaten überein. Gliedmaßen können viel länger ausgesetzt werden, wenn die Atmung nicht beeinträchtigt ist. Robert Boyle wies 1660 als Erster nach, dass Vakuum für kleine Tiere tödlich ist. ⓘ

Ein Experiment zeigt, dass Pflanzen in einer Umgebung mit niedrigem Druck (1,5 kPa) etwa 30 Minuten lang überleben können. ⓘ

Kalte oder sauerstoffreiche Atmosphären können Leben bei einem Druck erhalten, der weit unter dem atmosphärischen Druck liegt, solange die Sauerstoffdichte derjenigen der normalen Atmosphäre auf Meereshöhe entspricht. Die kälteren Lufttemperaturen in Höhen bis zu 3 km kompensieren im Allgemeinen den dort herrschenden niedrigeren Druck. Oberhalb dieser Höhe ist eine Sauerstoffanreicherung erforderlich, um die Höhenkrankheit bei nicht akklimatisierten Menschen zu verhindern, und Raumanzüge sind notwendig, um Ebullismus oberhalb von 19 km zu vermeiden. Die meisten Raumanzüge verwenden nur 20 kPa (150 Torr) reinen Sauerstoff. Dieser Druck ist hoch genug, um Ebbullismus zu verhindern, aber Dekompressionskrankheit und Gasembolien können trotzdem auftreten, wenn die Dekompressionsrate nicht kontrolliert wird. ⓘ

Eine schnelle Dekompression kann viel gefährlicher sein als die Vakuumexposition selbst. Selbst wenn das Opfer nicht die Luft anhält, kann die Entlüftung durch die Luftröhre zu langsam sein, um das tödliche Zerreißen der empfindlichen Lungenbläschen zu verhindern. Trommelfelle und Nasennebenhöhlen können bei einer schnellen Dekompression reißen, Weichteile können gequetscht werden und Blut austreten, und der Stress des Schocks beschleunigt den Sauerstoffverbrauch, was zu Hypoxie führt. Verletzungen, die durch eine schnelle Dekompression verursacht werden, nennt man Barotrauma. Ein Druckabfall von 13 kPa (100 Torr), der keine Symptome verursacht, wenn er allmählich erfolgt, kann tödlich sein, wenn er plötzlich auftritt. ⓘ

Einige extremophile Mikroorganismen, wie z. B. Bärtierchen, können tage- oder wochenlang unter Vakuumbedingungen überleben. ⓘ

Beispiele

	Druck (Pa oder kPa)	Druck (Torr, atm)	Mittlere freie Weglänge	Moleküle pro cm3 ⓘ
Standardatmosphäre, zum Vergleich	101,325 kPa	760 Torr (1,00 atm)	66 nm	2.5×1019
Intensiver Wirbelsturm	ca. 87 bis 95 kPa	650 bis 710
Staubsauger	ca. 80 kPa	600	70 nm	1019
Dampfturbinenabgas (Kondensatorgegendruck)	9 kPa
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe	etwa 3,2 kPa	24 Torr (0,032 atm)	1,75 μm	1018
Mars-Atmosphäre	1,155 kPa bis 0,03 kPa (Mittelwert 0,6 kPa)	8,66 bis 0,23 Torr (0,01139 bis 0,00030 atm)
Gefriertrocknung	100 bis 10	1 bis 0,1	100 μm bis 1 mm	1016 bis 1015
Glühbirne	10 bis 1	0,1 bis 0,01 Torr (0,000132 bis 1,3×10-5 atm)	1 mm bis 1 cm	1015 bis 1014
Thermosflasche	1 bis 0,01	1×10-2 bis 1×10-4 Torr (1,316×10-5 bis 1,3×10-7 atm)	1 cm bis 1 m	1014 bis 1012
Thermosphäre der Erde	1 Pa bis 1×10-7	10-2 bis 10-9	1 cm bis 100 km	1014 bis 107
Vakuumröhre	1×10-5 bis 1×10-8	10-7 bis 10-10	1 bis 1.000 km	109 bis 106
Kryogepumpte MBE-Kammer	1×10-7 bis 1×10-9	10-9 bis 10-11	100 bis 10.000 km	107 bis 105
Druck auf dem Mond	etwa 1×10-9	10−11	10.000 km	4×105
Interplanetarer Raum				11
Interstellarer Raum				1
Intergalaktischer Raum				10−6

Möglichkeit von Vakuum

Im bekannten Universum gibt es kein vollständiges Vakuum, und es ist mit bekannten technischen Mitteln auch nicht erzeugbar. Der Weltraum zum Beispiel ist mit Wasserstoffgas geringer, variabler Dichte erfüllt (interplanetares, interstellares, intergalaktisches, Intracluster-Medium). ⓘ

Die Frage nach der theoretischen Möglichkeit eines leeren Raumes haben im Abendland zuerst die griechischen Philosophen vor Sokrates – die Vorsokratiker – gestellt. Ihr Ausgangspunkt war nicht die naturwissenschaftliche Frage nach dem leeren Raum, sondern die allgemeinere philosophische nach dem Nichts – ob es gedacht werden kann. Vor demselben philosophischen Hintergrund haben sich dann Empedokles (um 433 v. Chr.) und Leukipp (um 450 bis etwa 420 v. Chr.) sowie Demokrit (um 460 bis etwa 370 v. Chr.) der Frage nach dem leeren Raum zugewandt. ⓘ

Die Frage nach der Möglichkeit eines absolut leeren Raums ist bis heute in der Physik ungelöst. Nach der Quantenfeldtheorie werden überall ständig virtuelle Teilchen erzeugt und wieder vernichtet. Unter Vakuum wird zudem im Allgemeinen nur die Abwesenheit von Materie verstanden. Elektromagnetische Strahlung und andere physikalische Felder könnten in dem betrachteten Raum vorhanden sein. ⓘ

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Permittivität	$\varepsilon _{0}$	${\textstyle \approx 8{,}8542\cdot 10^{-12}~{\frac {\mathrm {As} }{\mathrm {Vm} }}}$ ⓘ
Permeabilität	$\mu _{0}$	${\textstyle \approx 1{,}2566\cdot 10^{-6}{\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {A} ^{2}}}}$
Wellenwiderstand	${\textstyle Z_{0}={\sqrt {\mu _{0}/\varepsilon _{0}}}}$	$\approx 376{,}73~\Omega$
Lichtgeschwindigkeit	${\textstyle c_{0}={\sqrt {\frac {1}{\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}}$	${\textstyle \approx 299~792~\mathrm {\frac {km}{s}} }$

Licht, Teilchen, elektrische, magnetische und Gravitationsfelder breiten sich im Vakuum aus; dagegen benötigen Schallwellen ein materielles Medium und können sich daher im idealen Vakuum nicht ausbreiten. Wärmestrahlung kann sich als elektromagnetische Welle auch im Vakuum fortpflanzen. Dagegen führt die Absenkung des Drucks zur Verminderung der materiegebundenen Wärmeübertragung durch Konvektion und, sobald die mittlere freie Weglänge größer wird als der Gefäßdurchmesser, auch der konduktiven Wärmeleitung. ⓘ

Die Verringerung von Wärmeströmung durch ein Vakuum findet Anwendung zur Wärmeisolation (Isolierkannen, Dewar-Gefäße, Vakuumdämmplatte). ⓘ

Die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit des Hochvakuums wird bei Vakuum-Leistungsschaltern, in Vakuumkondensatoren der Hochleistungselektronik und im Hochspannungsteil evakuierter Röntgenröhren ausgenutzt. Bei Verringerung des Drucks sinkt die Durchschlagsfestigkeit zunächst durch das Entstehen eines Niederdruckplasmas erheblich ab. Erst wenn die freie Weglänge der beim Durchschlag entstehenden Ionen größer als der Elektrodenabstand wird, steigt die Durchschlagfestigkeit wieder steil an und wird erst dann wieder durch die Feldemission begrenzt. Abschätzen lässt sich das mit dem Paschen-Gesetz. ⓘ

Biologische Auswirkungen

Das Vakuum ist kein Lebensraum, da Lebewesen auf Materie zu ihrem Stoffwechsel angewiesen sind. Allerdings können viele Lebewesen (Bakteriensporen, Pflanzensamen und -sporen) einen gewissen Zeitraum im Vakuum überleben. ⓘ

Für kurze Zeit können auch höhere Lebewesen wie der gesunde Mensch dem Vakuum widerstehen, Experimente mit Vögeln wurden im Bild „Das Experiment mit dem Vogel in der Luftpumpe“ dokumentiert. Entgegen der üblichen Annahme beginnt das Blut trotz des Druckunterschieds nicht sofort zu sieden. Haut und Gewebe sind normalerweise in der Lage, dem Dampfdruck der Körperflüssigkeiten bei weniger als 0,05 bar (normaler Luftdruck ist 1 bar) zu widerstehen. Unabhängig davon kann verminderter Druck zur Dekompressionskrankheit oder Höhenkrankheit führen. ⓘ

Erzeugung

Auf der Erde kann ein Vakuum erzeugt werden, indem ein abgeschlossener Hohlraum, der Rezipient, vom darin enthaltenen Gas mittels geeigneter Vakuumpumpen befreit wird. Das einfachste Gerät ist die Wasserstrahlpumpe; sie erzeugt ein Grobvakuum, das dem Wasserdampfdruck bei der jeweils herrschenden Wassertemperatur entspricht (z. B. 23 hPa (oder mbar) bei 20 °C). ⓘ