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News: Zahnräder aus der Mikrowelle

Wer denkt, daß Mikrowellenherde nur zum Essenwärmen gut sind, liegt vielleicht nicht ganz richtig. Die Wellen erhitzen zur Freude der Wissenschaftler auch ganz andere Sachen. Statt Kartoffeln backen sie darin aus Metallpulver Teile für Motoren, Röhren und kleine Zahnräder. Das ist möglich, da pulverisiertes Metall im Gegensatz zu Blechen Mikrowellen nur in geringem Maße reflektiert.
Dinesh Agrawal und seine Kollegen von der Pennsylvania State University berichten in Nature vom 17. Juni 1999, daß sie mit Mikrowellen aus einem pulverisierten Metall einen festen Metallgegenstand "zusammenbacken" konnten. Sie füllten Formen mit dem Pulver und erhitzten sie dann mit Mikrowellen. So erhielten sie Metallteile ganz ohne herkömmliches Schmelzen oder Gießen. Jene traditionellen Bilder der Metallherstellung – eine höllisch anmutende Vulcanus-Schmiede mit geschmolzenem Metall, das in glühenden Strömen fließt – gehören vielleicht schon bald der Vergangenheit an.

Die Verwendung von Mikrowellen zur Bearbeitung von Stoffen ist an sich nichts Neues, doch war es vorher nicht möglich, Mikrowellen auf Metalle anzuwenden. Keramische Pulver werden normalerweise zu Festkörpern umgeformt, indem man die Körner mittels Mikrowellenenergie erhitzt und sie damit aneinander kittet. Dieser Prozeß heißt "Sintern". Ungeachtet der intuitiven Assoziation von Keramik mit spröden, zerbrechlichen Kunstgegenständen zählen zu dieser Stoffgruppe doch auch einige der härtesten bekannten Materialien. Man benutzt diese Hochleistungskeramik – wie zum Beispiel Siliziumkarbid –, um Komponenten von Düsenflugzeugmotoren, Turbinen, Turboladern für Autos und Schneidwerkzeuge herzustellen.

Das Sintern mittels Mikrowellen unterscheidet sich aber doch etwas vom Aufwärmen einer Pizza. Bei der herkömmlichen Methode muß zuerst der Ofen aufgeheizt werden, dessen Wärme dann allmählich das Werkstück von außen nach innen durchdringt. Die Mikrowellen durchdringen dagegen die gesamte Probe und können überall absorbiert werden, ohne daß die Hitze langsam ihren Weg von außen nach innen finden muß. Die Energie wird also effektiver aufgenommen und die Bearbeitungszeit verkürzt sich. Eine Minute reicht unter Umständen schon aus, um ein keramisches Pulver zu einer festen Masse verschmolzener Körner zu sintern. Die Pulverkörner erhitzen sich in dem Maße, in dem sie die Strahlung absorbieren. Hierdurch kann die Temperatur bis auf über tausend Grad Celsius ansteigen – heiß genug, um die Atome im Stoff zu mobilisieren, so daß die jeweils benachbarten Körner "zusammenfließen".

Die Mikrowellenbearbeitung wird bereits für eine ganze Bandbreite von Materialien benutzt: Man kann Holz und Textilien behandeln, Nahrungsmittel verarbeiten, Plastik aushärten und sogar chemische Reaktionen auslösen. Bei der Metallverarbeitung gibt es indes das Problem, daß sie die Wellen wie ein Spiegel reflektieren – deshalb sollte man ja auch keine Metallgefäße in der Mikrowelle zu Hause benutzen. Diese Tatsache hat die Wissenschaftler bisher abgeschreckt, Mikrowellen bei der Formung metallischer Objekte einzusetzen.

Wie Agrawal und seine Kollegen zeigen, bestand für Pessimismus aber gar kein Grund. Zwar reflektiert ein Metallblech in der Tat Mikrowellen, es scheint jedoch, daß bei pulverisierten Metallen diese Eigenschaft nicht so stark ausgeprägt ist. Den Forschern gelang es, mittels Sintern dichte Körper aus nahezu jedem getesteten Metall zu formen, einschließlich Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium und Nickel. Schon eine Behandlungszeit von zehn bis dreißig Minuten reichte aus, und in mehreren Fällen waren die durch Mikrowellenstrahlen gesinterten Metalle sogar dichter und härter als jene, die durch herkömmliches Erhitzen entstanden.

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