Mikrowellenherd

Mikrowellenherd Bauknecht MWUT 1617, um 1988. Mit rechteckigem Glasteller, Flügelrad in Kunststoffkapselung, Eingabetastatur, Türöffnungstaste, LED-Digitalanzeige.

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

Geschichte

Der US-amerikanische Ingenieur Percy Spencer (1894–1970) entdeckte, dass Nahrung per Mikrowellenstrahlung erwärmt werden kann, als er Magnetrone für Radaranlagen bei Raytheon (einem 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 1946 baute Spencer das erste Exemplar eines „Radarherdes“ (Mikrowellenherd), genannt Raydarange (1947 Radarange genannt); 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. 1954 hatte einer der ersten kommerziellen Mikrowellenherde eine Leistung von 1600 W und kostete zwischen 2000 und 3000 USD. Mikrowellenherde wurden von Unternehmen entwickelt und angeboten, die Erfahrungen mit Magnetronen aus der Entwicklung von Radargeräten hatten; sie wurden zunächst hauptsächlich für Passagierflugzeuge hergestellt, bevor die Geräte auch ihren Weg in Großküchen und die privaten Haushalte fanden. 1965 kam das erste Gerät mit weiter Verbreitung für 495 USD (Kaufkraft 2015, je nach Berechnungsmethode, mindestens 3700 USD) auf den Markt.

Genehmigungsschreiben für den Betrieb eines Mikrowellenherds 1988

Da die Preise für Mikrowellenherde in den 1970er Jahren rapide sanken, 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, in Deutschland waren es 2016 74 %.

Wirkungsweise

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. Die Erwärmung erfolgt zwar ebenfalls durch Absorption, jedoch ist im Bereich der Mikrowellen die Eindringtiefe sehr viel größer – es zeigt sich quasi eine gewisse Transparenz –, so dass die Absorption auch in der Tiefe des Kochguts stattfindet. Übliches Mikrowellengeschirr ist praktisch vollkommen transparent für Mikrowellen (Ausnahme: Bräunungsgeschirr). Bei der konventionellen Erwärmung über Strahlung (z. B. Feuer, Grill, Ofen, Glaskeramikkochfeld) hingegen findet die Absorption in den obersten Schichten statt, da thermische Strahlung im relevanten Wellenlängenbereich nur eine sehr geringe Eindringtiefe hat – zumindest bei üblichen Materialien, aus denen Speisen und Kochgeschirr bestehen; diese Materialien sind gleichsam undurchsichtig. Von der Oberfläche verteilt sich die Wärme durch Wärmeleitung und ggf. Konvektion.

Genauer betrachtet regt Infrarotstrahlung 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 einer Kristallstruktur, wie beispielsweise in gefrorenem Wasser (Eis), ist diese Beweglichkeit nicht gegeben. In flüssigem Wasser dagegen sind die bewegungshemmenden Wasserstoffbrücken sehr kurzlebig, in der Größenordnung von 200 fs (Femtosekunden; zum Vergleich: die Periodendauer der üblichen 2,455 GHz-Schwingung ist mehr als zweitausendmal größer), sodass die Wassermoleküle mit einer ausreichenden Anregung in Bewegung versetzt werden können.

Bei der Bestrahlung mit Mikrowellen bewirkt die elektrische Feldstärkekomponente der elektromagnetischen Welle (E-Feld-Komponente) nun eine Kraftwirkung auf das Wassermolekül (Kraft ist gleich Feldstärke mal Ladung), sodass auf das Molekül ein Drehmoment wirkt und es eine Drehbewegung vollzieht. Benachbarte Moleküle erfahren ebenfalls ein Drehmoment und drehen sich. Durch die Rotation erhöht sich die kinetische Energie des Wassers und somit die Temperatur.

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.

Bei zu hohen Frequenzen können die Moleküle auf Grund ihrer Trägheit nicht mehr der Änderung des elektromagnetischen Feldes folgen, und es findet keine Rotationsanregung und somit keine Temperaturerhöhung statt. In der technischen Praxis ist dies allerdings weitgehend irrelevant, da aus anderen Gründen sowieso deutlich niedrigere Frequenzen zum Einsatz kommen.

Die weit verbreitete Annahme, dass die Frequenz des Mikrowellenherds einer besonderen Resonanzfrequenz des Wassers entspreche, ist falsch. Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt bei 22,23508 GHz. Sobald unmittelbare Nachbarn stören, wird die entsprechende Spektrallinie bis zur Unkenntlichkeit verbreitert, sodass auch relativ weit davon entfernte Frequenzen zu einer Anregung führen. Wegen der weiteren technischen und praktischen Randbedingungen wird eine deutlich niedrigere Frequenz eingesetzt:

• Der Leistungsoszillator (Magnetron) mit mindestens 500 W muss sich einfach und billig herstellen lassen und einen hohen Wirkungsgrad besitzen.
• Die Wellenlänge muss deutlich kleiner sein als die Abmessungen des Garraumes.
• Die Wellenlänge muss konstant bleiben, weil die Resonanzdichtung des Türspaltes darauf abgestimmt ist und bei zu großen Abweichungen unwirksam wird.
• Der Frequenzbereich muss für private und industrielle Anwendungen frei verfügbar sein (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, so dass nur die Oberfläche erwärmt wird.

In der Praxis hat sich weitgehend die Frequenz von 2,455 GHz durchgesetzt, entsprechend einer Wellenlänge von 12,22 cm. Ein Magnetron zur Erzeugung elektromagnetischer Felder mit dieser Frequenz lässt sich kostengünstig und kompakt herstellen; dessen Frequenz ist durch die inneren mechanischen Abmessungen unveränderlich. Die Eindringtiefe in organische Stoffe und auch Wasser liegt dann im Bereich einiger 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.

Wirkungsgrad

Zwar verwandelt ein Mikrowellenherd nur 65 Prozent der aufgenommenen elektrischen Energie in Mikrowellenstrahlung (der Rest wird Abwärme), die erzeugten Mikrowellen erwärmen aber nur das Gargut und nicht den Herd selbst oder dessen Umgebung. Deshalb ist der Mikrowellenherd bei kleineren Portionen energetisch effizienter. Als Richtwert gelten 250 ml Flüssigsubstanz. Es ist günstiger, 250 ml Flüssigkeit (oder 250 Gramm einer wasserhaltigen Speise) im Mikrowellenherd zu erhitzen statt in einem Topf auf dem Elektroherd.

Dazu kommt, dass im Mikrowellenherd Speisen direkt auf dem Teller und Getränke (etwa Milch) in der Tasse bzw. im Glas erwärmt werden können. Die nach der Benutzung eines gewöhnlichen Herdes zusätzlich notwendige Reinigung des Kochgeschirrs entfällt. Schließt man deren Ressourcenverbrauch (Energie, Wasser, Reinigungsmittel) in die Betrachtung ein, verschlechtert sich die Effizienz der gesamten Zubereitung auf einem konventionellen Herd weiter.

Aufbau

Magnetron eines Mikrowellenherdes, Kupferkapsel aufgeschnitten (Magnete und Kühlrippen entfernt)

Schaltbild: Beschaltung des Magnetrons:

Magnetron schematisch

Einphasen-Synchronmotor ohne Starthilfe als Drehteller­antrieb (2005)

In einem gebrauchten Mikrowellenherd – 360°-Foto
Als Kugelpanorama anzeigen

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 sogenannte Wobbler oder Stirrer – rotierende metallische Flügelräder – eingesetzt, die die Schwingungsmoden des Garraumes ständig ändern. Diese Räder sitzen meist unter einer Kunstglimmer- oder Plaste-Abdeckung in der Decke des Garraumes und werden durch den Kühlluftstrom angetrieben. 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 sehr viel kleiner als die Wellenlänge der Mikrowellen von etwa 12 cm, sodass die Umgebung trotzdem von dem elektromagnetischen Feld im Garraum abgeschirmt bleibt. Der Türrahmen bildet mit dem Garraum einen umlaufenden Spalt, der sich im Türrahmen fortsetzt. Es handelt sich um eine sogenannte Resonanzdichtung. Die Breite des Türspaltes beträgt ein Viertel der Wellenlänge (λ/4), also ca. 3 cm, die Dicke des Spaltes (Abstand Tür/Garraum) ist unkritisch. Der Spalt wirkt 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. Ähnliches wird bei Hohlleiteranschlüssen angewendet.

Leistungsregulierung

Die Leistungsregulierung eines Mikrowellenherdes erfolgt bei den meisten Geräten durch Intervallbetrieb mittels einer mechanischen Schaltuhr oder einem Mikrocontroller. Das Magnetron wird zum Erreichen der vom Bediener eingestellten Leistung im Rhythmus von einigen Sekunden samt seiner Heizspannung über den Transformator ein- und ausgeschaltet. Durch das Verhältnis von Ein- und Auszeit wird 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 ein Mittelwert. Die Schaltperiode ist aufgrund der mechanischen Schalter (Relais, Schaltuhr) und des lebensdauerverringernden Einschaltens des Magnetrons ohne Kathodenvorheizung nicht weiter verkürzbar und kann je nach Maximalleistung auch bei gleicher Leistungsvorwahl zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Es gibt daher Geräte mit Schaltnetzteil (sogenannte Inverter-Technologie), die die Kathode durchgehend heizen und den mittleren Anodenstrom elektronisch steuern können. Vom Magnetron wird dann quasi durchgehend die gewünschte Leistung abgegeben. Diese Methode soll bei empfindlichen Speisen (etwa bei Fisch) das Zubereitungsergebnis deutlich verbessern.

Anwendungshinweise

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 zurückreflektiert, wodurch es Schaden nehmen könnte.

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 verdampft ein Teil des Wassers explosionsartig, siedendes Wasser wird aus dem Gefäß geschleudert. Ein ins Gefäß gestellter Glasstab oder Löffel und vorheriges Kratzen mit diesen Geräten am Gefäßboden helfen, den Siedeverzug 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

Problematisch beim Auftauen ist, dass in Eis die Wassermoleküle, da sie fest gebunden sind, nicht rotieren können (sie können aber hin und her schwingen). Daher absorbieren bereits aufgetaute Bereiche des Gefrierguts mehr Mikrowellenenergie als noch gefrorene, so dass die bereits getauten Bereiche schnell wärmer werden, während gefrorene Bereiche kühler bleiben. Das Auftauen von Gefriergut erfolgt 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. Die Auftaufunktion eines Mikrowellenherds arbeitet daher mit geringer Leistung, so dass genug Zeit bleibt, dass die Wärme von den flüssigen Bereichen an die festen durch Wärmeleitung abgegeben werden kann.

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.

Gefahren

Mikrowellenstrahlung

Warnsymbol vor nicht ionisierender Strahlung, wie es Mikrowellen sind

Mikrowellenstrahlung wirkt auch auf menschliches Gewebe erwärmend. Bei handelsüblichen 2,45 GHz wird die Eindringtiefe mit einigen Zentimetern angegeben, im Fall industrieller Mikrowellen mit Betrieb auf niedrigeren Frequenzen auch tiefer. Durch lokales Erhitzen kann sie zu Schädigungen des Gewebes (Verbrennungen, Denaturierungen) führen. Insbesondere schwach durchblutetes Gewebe, das Wärme über den Blutkreislauf nicht schnell abführen kann und das außerdem oberflächennah gelegen ist (wie zum Beispiel die Augen), ist in erhöhtem Maß vor Mikrowellenenergie zu schützen. Auch durch elektromagnetische Felder induzierte Augenstruktur- und Funktionsveränderungen im sogenannten nicht-thermischen Bereich (niedrigere Leistung, ohne relevante Temperaturerhöhung) wurden im Tierversuch bereits nachgewiesen.

In diesem Zusammenhang von Bedeutung ist gemäß Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) die Distanz zum Gerät: In 30 Zentimetern Entfernung sei „noch etwa fünf bis zehn Prozent der an der Oberfläche des Gerätes gemessenen Mikrowellenintensität“ vorhanden; in einem Meter Entfernung sei dieser Wert „auf ein Dreißigstel bis ein Hundertstel abgesunken“. Diese Mikrowellenintensität, genauer Strahlungsdichte, ist die Strahlungsleistung, welche als sogenannte Leckstrahlung außerhalb des Gerätes auftritt. Weil die nach außen dringende Strahlung durch Interferenzen und Reflexionen innerhalb des Garraumes diffus, d. h. weitgehend ohne einheitliche Richtung austritt, verringert sie sich auf Distanz stark.

Bei einem intakten Mikrowellenherd ist die Leckstrahlung aufgrund der Abschirmung des Garraums verhältnismäßig gering. Gemäß BfS ist in den geltenden Sicherheitsnormen hierfür ein „Emissionsgrenzwert von fünf Milliwatt pro Quadratzentimeter (entspricht 50 Watt pro Quadratmeter) in einem Abstand von fünf Zentimeter von der Geräteoberfläche“ festgelegt (Strahlungsdichte oder Leistungsflussdichte in W/m²). Die Grenzwerte seien bei Kontrollen stets eingehalten worden. Dennoch empfiehlt das BfS „grundsätzlich, unnötige Belastung mit hochfrequenten Feldern zu vermeiden“. Daher solle „insbesondere darauf geachtet werden, dass sich Kinder während der Zubereitung des Essens nicht unmittelbar vor oder neben dem Gerät aufhalten“. Weiterhin nennt das BfS Schwangere als besonders gefährdete Personen.

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. Die vereinzelt anzutreffende Meinung, der Umgang mit Mikrowellen erzeuge Krebs, ist wissenschaftlich nicht haltbar. Eine mutagene Wirkung elektromagnetischer Strahlung tritt nur bei ionisierender Strahlung auf. Der Bereich ionisierender Strahlung beginnt bei Wellenlängen kürzer als etwa 250 nm, entsprechend einer Frequenz größer als 1.200.000 GHz; das ist im Ultraviolettbereich (Übergang von UV-A zu UV-B). Die Frequenz von Mikrowellen liegt aber fast sechs Größenordnungen unterhalb der Grenze zur ionisierenden Strahlung.

Effekte mit elektrisch leitenden Stoffen (u. a. Metallen)

Wegen der hohen Sendeleistung des Magnetrons können in allen leitfähigen Materialien, so auch Metallteilen im Garraum, Ströme von mehr als 20 Ampere 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 grundsätzlich tabu, ist dagegen falsch.

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 ganz oder teilweise in Aluminium verpackt sind, erfolgt schneller und energiesparender, wenn die Speisen aus den Aluminiumbehältern auf einen Teller umgefüllt werden bzw. wenn der metallische Deckel entfernt wird, denn das Aluminium würde die Mikrowellen reflektieren.

Brandgefahr

Mikrowellenherd mit Drehreglern für Leistung und Dauer. Rauchbildung durch überhitztes Gargut.

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. Diese sind oft nicht - zumindest von außen - sichtbar.

Entstehende Verkohlungen und auch Flammen absorbieren Mikrowellenstrahlung wiederum und verstärken den Effekt. Viele 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, können jedoch gesundheitsschädliche Brandgase entwickeln, die durch den nach der Heizzeit meist noch nachlaufenden Ventilator auch nach außen geführt werden.

Auswirkung auf Nährstoffe

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) auslösen. Ebenso können über Polarisationseffekte die Ladungen vorhandener Radikale (Moleküle mit reaktionsfreudigen Elektronen) umgeordnet werden, wodurch sich neue Reaktionsprodukte ergeben können.

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 ergab im Einzelfall, dass Antioxidantien zum Beispiel in Brokkoli durch Erhitzung im Mikrowellenherd stärker zerstört werden als durch andere Erhitzungsverfahren. 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 jede Überhitzung von Nahrungsmitteln dar, da viele Nährstoffe bei hohen Temperaturen zerstört werden. Das trifft zwar ebenso auf die Zubereitung im Topf auf dem Herd zu; eine unbedachte oder ungeeignete Einstellung des Mikrowellenherdes führt jedoch sehr schnell zu dem unerwünschten Effekt. Insbesondere beim Garen von Speisen besteht eine erhöhte Gefahr der Überhitzung.

Hygiene der Nahrung

Wie oben unter Anwendungshinweise schon erwähnt, erfolgt die Erwärmung ungleichmäßig. Neben den dort erwähnten hot spots gibt es auch cold spots, also kühle Stellen. Sie bergen eine hygienische Gefahr bei der Erwärmung von Nahrungsmitteln mit Mikrowellenstrahlung, da dort Salmonellen bzw. Listerien überleben können.

Amerikanische Forscher ließen in einem Experiment frisch eingekaufte, listerienbefallene Hähnchen in der Mikrowelle garen. In mehr als der Hälfte der Proben waren danach weiterhin Listerien nachweisbar, unabhängig von Leistung, Garraumgröße oder davon, ob ein Drehteller vorhanden war. Aus diesem Grund empfiehlt auch die Deutsche Gesellschaft für Ernährung zum Beispiel kein Hähnchen oder Hackfleisch in Mikrowellenherden zu erwärmen.

Ausbleibende Maillard-Reaktion

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

Weitere Anwendungen

Große Mikrowellengeräte werden industriell als Alternative zu Autoklaven für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt; 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.

Siehe auch: Dielektrische Erwärmung

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 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 Mikrowellen die Erwärmung hauptsächlich durch Absorption in Wasser erzeugen, müssen Schwämme oder Tücher in nassem Zustand in die Mikrowelle gegeben werden.

Die Keime, Bakterien und Viren werden durch die von der Strahlung hervorgerufenen hohen Temperatur und nicht durch die Strahlung abgetötet.

Zerstörung von RFID-Chips

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.

Literatur

• Thorsten Oliver Kraemer: Wer hat eigentlich die Mikrowelle erfunden? Große Erfindungen und ihre Erfinder. Books on Demand, Norderstedt 2009, ISBN 3-8370-3777-0.
• Klaus-Peter Möllmann, Michael Vollmer: Kochen mit Zentimeterwellen: Die Physik der Haushaltsmikrowelle. In: Physik in unserer Zeit. Band 35(1), 2004. S. 38–44, ISSN 0031-9252

Weblinks

Commons: Mikrowellenherde – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Mikrowellenherd – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Funktionsweise des Mikrowellenherds aus physikalischer Sicht
• Experimente in der Mikrowelle
• Mikrowelle: Kein negativer Einfluss auf Lebensmittel
• Kulinarische Physik (PDF; 2,9 MB) – Diplomarbeit (2002) von Silke Maier am Institut für Experimentalphysik der Karl-Franzens-Universität Graz, abgerufen am 1. Dezember 2011; die Arbeit erläutert u. a. den Aufbau eines Mikrowellenherds mit aufschlussreichen Schnittzeichnungen
• Marc Pitzke: Erfindung des Mikrowellenherds – Ssssss... Bing! In: einestages vom 23. Januar 2015