Mikrowellen

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Zum Haushaltsgerät, siehe Mikrowellenherd

Mikrowellen ist ein Trivialname für den Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen von 1 bis 300 GHz (Wellenlänge von 300 mm bis 1 mm).^[1] (Andere Quellen geben auch den Bereich von 300 MHz bis 300 GHz an.) Er umfasst Teile des Dezimeterwellenbereiches sowie den Zenti- und Millimeterwellenbereich und wird nach unten begrenzt durch den Begriff Radiowellen und nach oben hin durch den infraroten Bereich des optischen Spektrums. Bei der Begriffsbildung waren die Submillimeterwellen noch nicht bekannt (bzw. wurden noch dem Infrarotbereich zugeordnet) und werden deshalb von dem Begriff nicht mit umfasst.

Einsatzgebiete

Supraleitende Kavität zur Beschleunigung von Elektronen und Positronen; Länge der Struktur ca. 1 m; Jede Kammer hat eine Resonanzfrequenz von 1,3 GHz.

Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenrundfunk, WLAN, Amateurfunk), Sensorsystemen (zum Beispiel Radar, dem Mikrowellen-Resonatorverfahren) oder Leuchtmitteln (Schwefelkugellampe) zum Einsatz.

Das Herzstück der Beschleunigungsstrecken für Elektronen in Teilchenbeschleunigern sind Hohlraumresonatoren für Mikrowellen. In deren Innerem beschleunigen die elektrischen Felder von stehenden elektromagnetischen Wellen die geladenen Teilchen. Darin erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter. Die Länge einer einzelnen Zelle ist so gewählt, dass sich das elektrische Feld der Welle gerade umkehrt, wenn ein Teilchen, das fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, in die nächste Zelle eintritt.

Der Mikrowellenbereich ist eingeteilt in Frequenzbänder, die oft zweckgebunden für bestimmte Anwendungen reserviert sind. So befinden sich dort mehrere Amateurfunkbänder, unter anderem zwischen 1240 und 1300 MHz das 23-Zentimeter-Band, zwischen 2320 und 2450 MHz das 13-Zentimeter-Band und zwischen 10 und 10,5 GHz das 3-Zentimeter-Band. Für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke sind die Frequenzen der ISM-Bänder freigegeben.

Einsatz als Waffe

Gemäß 2. Gefahrenbericht der Schutzkommission beim Bundesministerium des Innern sei „im militärischen Bereich die Einsatzfähigkeit als Strahlenwaffe“ gegen elektronische Systeme „bereits hergestellt“. Weiterhin bestehe erhebliches terroristisches Gefahrenpotential:

„Zunehmende Aufmerksamkeit ist den sogenannten HPM-Quellen (HPM-Waffen) zu widmen (HPM: High Power Microwave),(...) Oftmals wird auch das Kürzel HPEM (HPEM: High Power Electromagnetics) verwendet.(...) HPM-Waffen können im Gegensatz zu NEMP-Waffen relativ einfach und ohne aufwendige Kosten von Zivilpersonen aus handelsüblichen Komponenten gefertigt und zu Sabotage- oder Erpressungszwecken eingesetzt werden. Es wird in diesem Zusammenhang bereits von „Elektromagnetischem Terrorismus“ gesprochen, der zu einer Gefährdung der öffentlichen Ordnung führen kann. Im militärischen Bereich ist die Einsatzfähigkeit ähnlicher Waffen bereits hergestellt.“ ^[2]

Zum Zweck der Entwicklung eigener Waffensysteme solcher Art für militärische und zivile Anwendungen beschlossen die deutschen Rüstungskonzerne Rheinmetall und Diehl 2003 die Kooperation. Man habe bereits „konkrete Entwicklungsaufträge“ und könne „innerhalb der nächsten zwei Jahre (...) mit ersten Produkten auf dem Markt sein.“ Diehl biete auch Systeme „in den Ausmaßen eines Koffers“.^[3]

Die Einsatzfähigkeit gegen Personen, sowohl im militärischen wie hoheitlichen Bereich, besteht gemäß älteren Berichten (vgl. z.B. Active Denial System) ebenfalls bereits seit Jahrzehnten und wird auch für den privaten Sektor in Form transportabler „Blutkocher“ weiterentwickelt.^[4] Selbiges gilt für die „Fertigung aus handelsüblichen Komponenten“ und ermöglicht somit zielgerichtete Aggressionen und Terror, einschließlich des organisierten terroristischen Bereichs. Im Jahr 2002 waren bereits 150 Strafverfahren diesbezüglich gemeldet.^[5]

Eigenschaften

Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Dipol- und Multipolschwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der Absorption bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle richten sich als Dipole ständig nach dem elektromagnetischen Wechselfeld aus, wobei als dielektrischer Verlust Wärme entsteht. Die in Mikrowellenherden verwendete Frequenz liegt bei 2,45 GHz. Damit erzielt man einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut. Zum Vergleich: Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt bei 22,23508 GHz.

Der dielektrische Verlustfaktor, der spezifische elektrische Widerstand sowie magnetische Verluste bestimmen die frequenzabhängige Absorption der Mikrowellen an oder in Stoffen und somit deren Erwärmung.

Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen. Sie können deshalb ähnlich dem gewöhnlichen Licht reflektiert und gebrochen werden und auch interferieren. Sie werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Geeignete Isolatoren (z. B. einige Thermoplaste, insbesondere PTFE (Teflon)), Glas, viele Keramiken und Glimmer sind jedoch durchlässig (transparent) für diese Strahlung und absorbieren sie nur wenig – daher können z. B. auch optisch undurchsichtige Kunststofflinsen zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden. Wie Licht kann auch bei Mikrowellen kohärente Strahlung mittels stimulierter Emission erzeugt werden. Solche Mikrowellen-Laser werden entsprechend Maser genannt.

Das Eintrittsfenster für Mikrowellen oben in den Garraum eines Mikrowellenherds wird typischerweise durch ein nur optisch opakes Fenster aus sehr hitzebeständigem Glimmer gebildet. Umgekehrt soll die Herdtür für guten Einblick möglichst optisch durchsichtig sein und die Mikrowellen doch dicht einschließen. Das wird erreicht durch ein schwarz lackiertes Lochblech (innen wasserdampfdicht mit einer hitzebeständigen Kunststofffolie beklebt) mit ausreichend feiner Lochung mit typisch 2 mm Rastermaß plus einer transparenten Platte in etwa 2 cm Abstand außen davor. Die Dichtheit der Tür gegenüber der Türöffnung wird über einen planen Spalt mit weniger als 1 mm Breite und mehr als 1 cm Tiefe erzielt. Mikrowellen mit 12 cm Wellenlänge (bei 2,45 GHz) können diese feinen Poren oder schmalen Spalte nicht durchdringen. Die Andichtung des Magnetrons an den Hohlleiter im Blechgehäuse erfolgt durch einen flachen Ring aus feinem gekräuselten Metalldraht und Pressung.

Elektromagnetische Wellen oberhalb einer Frequenz von etwa 1 GHz können zunehmend schlechter mit einem Koaxialkabel übertragen werden, da die Verluste im Dielektrikum mit der Frequenz zunehmen. Die Übertragungweise ändert sich grundsätzlich, wenn der innere Umfang der Koaxabschirmung kleiner ist als die zu übertragende Wellenlänge, weil dann unerwünschte Hohlleitermoden auftreten. Deshalb werden Mikrowellen hinreichend kurzer Wellenlänge nur in verlustärmeren Hohlleitern geführt.

Erzeugung und Absorption

Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch Laufzeitröhren wie Klystrons, Wanderfeldröhren oder Magnetrons erzeugt. Bei geringen Leistungen bevorzugt man Gunndioden für Festfrequenzen und Backward-wave Oszillatoren für große Frequenzbereiche.

Mikrowellen werden durch Ferrite sehr gut absorbiert. Sie verhalten sich dabei so ähnlich wie ein Wellensumpf. Manche militärische Flugzeuge, Schiffe oder gepanzerte Landfahrzeuge werden deshalb mit einer entsprechenden Beschichtung versehen (Tarnkappentechnik), um sie vor der Ortung durch Radar zu schützen.

Wasserhaltige Substanzen absorbieren Mikrowellen erheblich besser als trockene Substanzen. Das wird im Mikrowellenherd ausgenutzt.

Siehe auch

• Zyklotron-Resonanzheizung
• Minteco
• Wellensumpf

Weblinks

Commons: Mikrowellen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Fragenkatalog: Einfluss des Mobilfunks auf die menschliche Befindlichkeit. BfS 2006 (zuletzt abgerufen am 1. November 2012; PDF; 161 kB)

Einzelnachweise