Energietransport
Um eine vollwertige und ausgewogene Ernährung zu sichern, ist es notwendig, einen Teil der täglichen Nahrung zu garen. Garen ist eine Wärmebehandlung von Lebensmitteln, die den Genuss- und Nährwert sowie die Bekömmlichkeit der Lebensmittel fördert.
Die Hauptaufgabe aller Geräte zur Wärmebehandlung von Lebensmitteln besteht darin, die Temperatur des Lebensmittels zu erhöhen.
Physikalisch technische Grundlagen
Bei herkömmlichen Verfahren erfolgt die Wärmebehandlung durch drei Arten des Energietransports von der Wärmequelle zum Gargut: Durch Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung. Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung sind dadurch charakterisiert, dass Wärme an die Oberfläche des Gargutes übertragen wird.
Die Erwärmung des Lebensmittelkerns erfolgt bei allen drei Arten durch Wärmeleitung von außen nach innen. Bei der Mikrowellenanwendung dagegen dringen Mikrowellen unmittelbar in das Lebensmittel ein und erzeugen Wärme direkt im Gargut.
Wärmeleitung
Bei der Wärmeleitung erfolgt der Energietransport von Molekül zu Molekül. Wärmequelle, Wärme übertragendes Medium und zu erwärmendes Lebensmittel stehen in engem Kontakt. So gibt z.B. die erhitzte Elektrokochplatte die Wärme über den Geschirrboden an das Lebensmittel ab. Durch Zugabe von Wasser, Fett oder Öl wird die Wärmeleitung verbessert.
Wärmeströmung
Bei der Wärmeströmung (oder Konvektion) erfolgt der Wärmetransport durch ein erhitztes, strömendes Medium - Luft oder Flüssigkeit. Die Wärme wird von allen Seiten an das Lebensmittel gebracht, indem es vom heißen Medium umströmt wird. So erfolgt im Backofen mit Umluftbetrieb die Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion.
Wärmestrahlung
Bei der Wärmestrahlung sendet eine Wärmequelle energiereiche Strahlung aus. Die Wärmequelle kann z.B. ein Grillheizkörper sein. Trifft diese Strahlung auf ein Lebensmittel, so wird sie an der Oberfläche des Gargutes absorbiert und in Wärme umgewandelt.
Mikrowellen
Die Mikrowellen dringen unmittelbar ins Lebensmittel ein und erzeugen dort Wärme. Mikrowellen sind ebenso wie Wärmestrahlung elektromagnetische Wellen, deren Ausbreitungsmechanismus auf einem ständigen Wechsel zwischen einem elektrischen und einem magnetischen Feld beruht.
Die unterschiedlichen Wirkungen elektromagnetischer Wellen ergeben sich aus ihrer unterschiedlichen Frequenz und Wellenlänge. Die Frequenz der Mikrowellen in Haushalts-Mikrowellengeräten beträgt 2450 MHz (2450 Mio. Schwingungen pro Sekunde); dies entspricht einer Wellenlänge in der Luft von 12,25 cm, d.h. eine Schwingung mit Wellenberg und Wellental hat eine Länge von 12,25 cm.
Grundsätzlich muss zwischen Strahlen und elektromagnetischen Wellen unterschieden werden:
Definition Strahlen:
Physikalischer Sammelbegriff für die aus elektromagnetischen Wellen bestehenden Radio-, Wärme-, Licht-, Röntgen- und Gammastrahlen sowie die aus Elementarteilchen (kleinste Einheit physikalischen Geschehens) bestehenden Strahlen, z.B. Alpha-, Beta-, Kathoden-Strahlen. 2
Definition Elektromagnetische Wellen:
Sich räumlich ausbreitende elektromagnetische Schwingungen, die stetige periodische Veränderung miteinander verketteter elektrischer und magnetischer Felder. Die elektromagnetischen Wellen unterscheiden sich nur in ihrer Frequenz und Wellenlänge; so umfassen die Radiowellen das Gebiet von rd. 104 Hz bis 1013 Hz, das Licht das Gebiet von rd. 1013 Hz bis 1017 Hz; an diesen Bereich schließen sich mit 1018 Hz bis 1020 Hz die Röntgenstrahlen, von 1020 Hz ab die Gammastrahlen und die kosmischen Strahlen (Höhenstrahlen) an.1)
Es gibt eine Vielzahl elektromagnetischer Wellen, von denen wir ständig umgeben bzw. denen wir ausgesetzt sind, z.B. UV-Strahlung, sichtbares Licht der Sonne, Wärmestrahlung (Infrarot) und Wellen von Rundfunk- und Fernsehsendern. Für medizinische Zwecke werden die Röntgenstrahlen und Kurzwellen verwendet. Elektromagnetische Wellen nutzen wir, um Nachrichten in Wort und Bild zu übertragen, Objekte auf einem Bildschirm sichtbar zu machen (Radar), zum Telefonieren, zum Beleuchten und um Lebensmittel mit Wärme zu garen (Infrarotgrill).
Elektromagnetische Wellen können ionisierend und nicht ionisierend sein. Wellen im unteren Frequenzbereich sind nicht ionisierend. Dazu gehören Radio-, Fernseh-, Licht- und Mikrowellen. Der Energiegehalt und damit die eventuelle Gefahr einer Strahlung für den Menschen nimmt mit abnehmender Wellenlänge zu; d.h. je höher die Frequenz der elektromagnetischen Welle/ Strahlung und je kürzer die einzelne Wellenlänge, umso energiereicher ist sie.
Die ionisierende Wirkung der Strahlung, bei der es zu einer chemischen Veränderung der bestrahlten Substanzen kommen kann (lonisation), beginnt im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlen. Bei elektromagnetischen Wellen, wie Radio-, Radar- und Mikrowellen, sind solche Veränderungen nicht möglich.
2 Quelle: Lexikon-Institut Bertelsmann: Großes Handlexikon in Farbe, Club-Auflage 1979, Bd. 3 und 11
Wirkung von Mikrowellen
Mikrowellen werden reflektiert
Treffen Mikrowellen auf Metalle wie Stahl, Aluminium oder Kupfer, so werden sie an deren Oberfläche, ähnlich wie sichtbares Licht an Spiegeln, reflektiert. Die Ursache der Reflexion von Mikrowellen resultiert aus der elektrischen Leitfähigkeit dieser Werkstoffe. Für die Praxis bedeutet dies, dass Mikrowellen Metallgefäße oder Aluminiumfolie nicht durchdringen können. Demnach werden Lebensmittel, die sich in geschlossenen Metallgefäßen befinden, von den Mikrowellen nicht erreicht.
Mikrowellen können durchdringen
Elektrisch isolierende Werkstoffe wie Porzellan, Glas, Steinzeug, Pappe oder Kunststoff werden von Mikrowellen weitgehend durchdrungen, etwa wie sichtbares Licht Glas durchdringt. Solche Stoffe können von Mikrowellen kaum erwärmt werden und sind daher als Geschirr im Mikrowellengerät gut geeignet. Setzt man sie ohne Lebensmittel den Mikrowellen aus, so ist auch bei diesen Werkstoffen eine Erwärmung zu beobachten. Das bedeutet, dass Mikrowellen auch von Werkstoffen wie Glas und Porzellan geringfügig absorbiert (aufgenommen) werden.
Mikrowellen können absorbiert werden
Die Lebensmittelmoleküle (kleinste Einheit einer chemischen Bindung) reagieren auf Mikrowellen mit kleinen raschen Bewegungen, die Bewegungsenergie der Moleküle nehmen wir als Wärme war. Die Moleküle haben, ähnlich wie ein Magnet einen Nord- und Südpol besitzt, eine bestimmte Ausrichtung nach Plus und Minus. Da die elektromagnetischen Wellen ständig ihren Plus- und Minuspol wechseln, versuchen die Plus- und Minuspole der Moleküle sich diesem Richtungswechsel anzupassen (Dipol-Bewegung).
Dadurch geraten sie in Schwingungen und erzeugen im Lebensmittel eine starke Erwärmung, die für Auftau-, Erwärmungs- und Garverfahren genutzt wird. Beim Eindringen und bei der Umwandlung in Wärme schwächen sich die Mikrowellen ab (Eindringtiefe). Im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren entsteht gleichzeitig Wärme in den äußeren und in den inneren (tieferliegenden) Schichten des Lebensmittels. Bei größeren Teilen und unterschiedlicher Konsistenz der Lebensmittel erfolgt der Temperaturausgleich zum Kern durch Wärmeleitung.
Verhalten von Lebensmitteln im Mikrowellenfeld
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen hoher Frequenz, die auf das zu behandelnde Lebensmittel treffen und in dieses eindringen. Es werden vom elektrischen Wechselfeld Kräfte auf die Moleküle bzw. auf die positiven und negativen Bestandteile des Moleküls ausgeübt, so dass diese in Schwingungen versetzt werden. Als Folge der Molekülbewegung entsteht Wärme.
Bestimmte Moleküle der Lebensmittel - insbesondere die Moleküle des Wassers - haben elektrisch gesehen einen ausgeprägten Dipolcharakter. Ein einfacher Dipol besitzt ein positiv und ein negativ geladenes Ende. Bringt man einen Dipol in ein elektrisches Feld, so versucht sich dieser Dipol nach dem äußeren Feld zu orientieren. Dieses Verhalten lässt sich in einer Versuchsanordnung mit zwei einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten entgegengesetzter Ladungen erklären, die ein elektrisches Feld bilden. Dabei wird das positive Dipolende von der negativ (-) geladenen Kondensatorplatte angezogen, gleichzeitig wird es von der positiv (+) geladenen Kondensatorplatte abgestoßen und umgekehrt.
Ändert sich die Richtung des äußeren elektrischen Feldes ständig (elektrisches Wechselfeld bei Wechselspannung), so versucht ein Dipol diesen Richtungsänderungen des Feldes zu folgen. Bei schneller Richtungsänderung des äußeren Feldes bewegen sich die Dipole analog dazu. Auf diese Weise ist es möglich, im Lebensmittel Wärme zu erzeugen, die für Gar-, Erwärmungs- und Auftauvorgänge genutzt wird.
Einflussfaktoren auf die Wärmeleistung von Mikrowellen
Die Intensität der Wärmeentwicklung und damit die Wärmeleistung von Mikrowellen, die in ein Lebensmittel eindringen, ist von mehreren Faktoren abhängig, und zwar von
- der Stärke des Mikrowellenfeldes (elektrische Feldstärke),
- der Frequenz der Mikrowellen,
- der Dielektrizitätszahl des Lebensmittels und
- dem Verlustwinkel des Lebensmittels.
Die Stärke des Mikrowellenfeldes wird bestimmt von der Ausgangsleistung des Gerätes. Sie beeinflusst die elektrische Feldstärke und damit die Kraft, die auf die Dipole von außen her wirkt. Je größer die Stärke des Mikrowellenfeldes und damit die elektrische Feldstärke, umso größer sind die Kräfte, die diese Dipole bewegen, bzw. umso mehr Dipole werden bewegt.
Bei definierter Stärke des Mikrowellenfeldes ist die Wärmeleistung, die in einem Lebensmittel entsteht, abhängig von der Menge und dem Wassergehalt des Lebensmittels. Dies ist der Grund, weshalb sich z.B. eine kleinere Portion eines Lebensmittels bei sonst gleichen Bedingungen schneller erwärmt als eine große Portion.
Die Frequenz der Mikrowellen sagt aus, wie oft in der Sekunde die Dipole des Lebensmittels bewegt werden. Die Frequenz kann aber aus verschiedenen Gründen (z.B. Frequenzvergabe der Bundespost) nicht beliebig gewählt werden und ist bei Haushalt-Mikrowellengeräten mit 2450 MHz fest vorgegeben.
Die Dielektrizitätszahl charakterisiert das Verhalten eines Stoffes in einem elektrischen Gleichfeld, man könnte sie auch als Stärke des Dipolcharakters bezeichnen. Als Bezugsmedium wurde dabei Vakuum bzw. annäherungsweise Luft gewählt. Die Dielektrizitätszahl von Luft besitzt die Bezugsgröße 1. Wasser hingegen - ein wesentlicher Bestandteil nahezu aller Lebensmittel - besitzt bei niedriger Temperatur (etwa +5°C) eine Dielektrizitätszahl von etwa 80. Die Dielektrizitätszahl ist eine Kenngröße, die bei konstanter Frequenz (2450 MHz) abhängig vom jeweiligen Stoff und von dessen Temperatur ist. Lebensmittel mit großer Dielektrizitätszahl lassen sich in einem Mikrowellenfeld leicht erwärmen. Luft hingegen erwärmt sich kaum.
Der Verlustwinkel charakterisiert das Verhalten eines Moleküls (Dipols) bei Richtungswechsel des äußeren elektrischen Feldes. Der Verlustwinkel wird durch das Nacheilen der Dipole bestimmt. Sind die Dipole im Molekülverband „schwergängig", so ist dieser Winkel groß und bei der Dipolbewegung kann relativ viel Wärme entstehen und umgekehrt. Bei der Berechnung der Wärmeleistung muss der Tangens dieses Verlustwinkels berücksichtigt werden. Die Größen - Dielektrizitätszahl und Verlustwinkel - charakterisieren zusammen das Verhalten eines Stoffes in einem elektrischen Wechselfeld.
Bei der Mikrowellenerwärmung von Lebensmitteln wird das Produkt aus Dielektrizitätszahl und Tangens des Verlustwinkels als Erwärmungsfaktor bezeichnet. Seine Größe ist entscheidend für die Eigenschaft eines Lebensmittels hinsichtlich des Erwärmens in Mikrowellengeräten.
Einflussfaktoren auf die Wärmebehandlung von Lebensmitteln
Treffen Mikrowellen auf Lebensmittel, so dringen sie unter Energieumsatz in das Lebensmittel ein. Ein Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt, wobei sich die Mikrowellen mit zunehmender Eindringtiefe abschwächen. Um für die Praxis einen vergleichbaren Wert für die Abschwächung angeben zu können, wurde der Begriff der Eindringtiefe definiert. Es ist diejenige Tiefe, bei der die Stärke der Mikrowellenenergie, wie sie an der Oberfläche des Lebensmittels vorhanden ist, auf 37% ihres ursprünglichen Wertes abgeschwächt ist. Bei Fleisch z.B. beträgt diese Eindringtiefe - je nach Zusammensetzung und Temperatur- etwa 2,5 cm.
Je größer der Erwärmungsfaktor ist, umso stärker wird aber die Mikrowellenenergie bereits in den außenliegenden Lebensmittelschichten in Wärme umgewandelt (wobei sich die Feldstärke, wie beschrieben, abschwächt) und umso geringer ist die Eindringtiefe. Umgekehrt ergibt sich bei einem kleinen Erwärmungsfaktor eine große Eindringtiefe. Besonders deutlich sind die Auswirkungen beim Auftauen. Beim Übergang von Eis zu Wasser erhöht sich die Dielektrizitätszahl sprunghaft.
Beim Auftauen eines gefrorenen, wasserhaltigen Lebensmittels ist die Wärmeleistung wegen der kleinen Dielektrizitätszahl zunächst klein, die Eindringtiefe groß. Die Wärmeverteilung ist aber innerhalb eines größeren Volumens nie gleichmäßig, so dass das Wasser an einigen Stellen im Lebensmittel flüssig, an anderen Stellen jedoch noch gefroren ist. An den Stellen, an denen flüssiges Wasser vorliegt, steigt der Erwärmungsfaktor wegen des nun großen Wertes für die Dielektrizitätszahl sprungartig an. Es treten hier örtlich hohe Temperaturen auf. Da eine gleichmäßige Temperatur im aufgetauten Lebensmittel erwünscht ist, ist ein Temperaturausgleich zwischen gefrorenem und flüssigem Wasser erforderlich. Es ist also notwendig, den Lebensmitteln ausreichend Zeit für einen inneren Temperaturausgleich zwischen heißeren und kälteren Stellen zu lassen.
Der Salzgehalt eines Lebensmittels erhöht die elektrische Leitfähigkeit aufgrund der lonenbildung und beeinflusst die Umsetzung der Mikrowellenenergie in Wärme. Eine starke Salzung kann die Halbierung der üblichen Eindringtiefe zur Folge haben.
Die unterschiedliche Feldstärke innerhalb eines Lebensmittels bewirkt eine (unterschiedliche) Temperaturverteilung im Lebensmittel. War die Temperatur zu Beginn der Wärmebehandlung im Lebensmittel überall gleich groß, so ergeben sich unmittelbar danach deutliche Temperaturunterschiede.
Die Temperaturverteilung im Lebensmittel entspricht zunächst näherungsweise der Feldverteilung im Lebensmittel. Die Wärmeleistung nimmt mit zunehmender Tiefe zum Lebensmittelinneren ab. Die kalte Luft im Garraum, die sich durch Mikrowellen kaum erwärmt, senkt unmittelbar an der Oberfläche des Lebensmittels die Temperatur. Demnach tritt die höchste Temperatur bei der Erwärmung mittels Mikrowellen knapp unter der äußeren Schicht auf.
Eine eindeutige obere Grenze der Temperatur gibt es bei der Wärmebehandlung mit Mikrowellen nicht. Solange genügend Wasser im Stoffinneren vorhanden ist, überschreiten die Temperaturen im Lebensmittel nicht die 100°C-Grenze. In stark fetthaltigen Lebensmittelzonen sind jedoch höhere Temperaturen möglich. Bei großer Ausgangsleistung und langer Gardauer können Lebensmittel nach Verdampfen des Wassers auch höhere Temperaturen annehmen, wobei Lebensmittel teilweise verbrennen bzw. verkohlen.
Die bisherigen Überlegungen zeigen, dass auch bei der Wärmebehandlung von Lebensmitteln mit Mikrowellen für die gleichmäßige Temperaturverteilung durch Wärmeleitung hinreichend lange Zeiten erforderlich sind. Daher kann die Zeit für die gesamte Wärmebehandlung auch bei größter Ausgangsleistung nur für große Flüssigkeitsmengen weiter verkürzt werden.
Einflussfaktoren auf Mensch und Umwelt
Es ist festzustellen, dass Verunsicherungen auch durch die Medien nicht auszuschließen sind, da das Thema kontrovers diskutiert wird. Allein das Wort „Elektrosmog" kann Ängste erzeugen, die durch qualifizierte Information und Aufklärung abzubauen sind.
Magnetische und elektrische Felder bilden einen festen Bestandteil unserer Umwelt. Diese Felder sind entweder natürlichen Ursprungs und kommen aus der Erde, der Atmosphäre und z.B. als Sonneneinstrahlung aus dem Kosmos. Andere werden über technische Vorgänge durch den Menschen erzeugt. Diese alltägliche Strahlung aus den unterschiedlichsten Quellen ist gründlich erforscht worden - vor allem ihre möglichen Auswirkungen auf Menschen, Tiere und Pflanzen. Unbestritten ist z.B., dass das natürliche Sonnenlicht der beste Wachstumsförderer für Pflanzen ist.
Mutmaßungen über umweltbeeinflussende Negativwirkungen von Mikrowellen haben zu einer Fülle von Untersuchungen geführt. Nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens für den Einsatzbereich der Mikrowellengeräte muss nur mit feldbedingten Temperaturerhöhungen gerechnet werden, die allerdings ebenso wie bei der konventionellen Erwärmung bis zur thermischen Zellzerstörung führen können. Ein Nachweis für nicht thermische Wirkungen wurde bisher nicht erbracht. Untersuchungsberichte, in denen doch von negativen athermischen Wirkungen auf Mensch und Umwelt die Rede ist, sind nicht auf Mikrowellengeräte übertragbar, denn in allen Fällen wurden die zitierten Wirkungen nur in Frequenzbereichen festgestellt, die nicht bei Mikrowellengeräten angewendet werden. Mikrowellenenergie ist nur dort gefährlich, wo sie in hoher Dosis in die Umwelt dringt, wie z.B. bei starken Radarstrahlen. Beim Haushaltsgerät hingegen wirken die Mikrowellen nur in einem nach allen Seiten geschlossenen Garraum. Deshalb sind Mikrowellen auch nicht vergleichbar mit Hochspannungsfeldern und Radarwellen, so dass keinerlei Bezug aus Beobachtungen in diesen Bereichen abgeleitet werden kann.
Bei Therapiegeräten, die in der Medizin seit Jahrzehnten eingesetzt werden, arbeitet man mit gleicher Frequenz wie bei Mikrowellengeräten. Der menschliche Körper wird örtlich und kurzzeitig Energiedichten bis zu 100 mW/cm2 ausgesetzt. Die Wärmewirkung der Mikrowellen kann allerdings bei zu hoher Dosis und längerer Einwirkung, wie sie von einem intakten Mikrowellengerät nicht ausgehen kann, für Augen oder Hoden zu Schäden führen, da diese Körperteile schlecht durchblutet sind und deshalb die entstehende Wärme nicht rasch genug abführen können. Herzschrittmacher älterer, ungeschirmter Bauart und andere empfindliche Elektronikschaltungen können durch die 50 Hz-Streufelder des Mikrowellennetzteiles (z.B. Transformator) störend beeinflusst werden, nicht jedoch durch die Mikrowellen-Leckstrahlung selbst. Die Träger von Herzschrittmachern sollten aber in jedem Fall den behandelnden Arzt befragen.