Wat is vacuüm?

Door Theo Mulder

Een begrijpelijke vraag voor iedereen die zich erover verwondert dat er een echte Nederlandse Vacuümvereniging bestaat. Een hele club mensen houdt zich dagelijks bezig met vacuüm om bepaalde resultaten te bereiken, die zónder vacuüm niet te bereiken zijn. Ook U maakt op dit moment gebruik van deze resultaten, misschien zonder dat u zich dat bewust bent.

Realiseert u zich dat de vele elektronische componenten in uw computer en ook het vlakke beeldscherm waarop de letters verschijnen, gemaakt zijn met behulp van vacuüm?

Eigenlijk leven wij op de bodem van een hele diepe oceaan van lucht. Lucht is samengesteld uit een grote hoeveelheid verschillende gassen, waarvan stikstof (bijna 80%) en zuurstof (ca. 20%) de belangrijkste zijn. Op de bodem van deze ‘oceaan’ is de luchtdruk 1 atmosfeer. Boven op een berg is de lucht een stuk ijler (de luchtdruk is daar lager). Hoe hoger wij komen, des te ijler wordt de lucht en daarmee wordt ook het zuurstofaandeel steeds kleiner. We hebben dan moeite met ademhalen. Beklimmers van hoge bergen nemen vaak flessen met zuurstof mee.

Deze ‘ijle’ lucht is het begin van vacuüm. Zodra de luchtdruk lager wordt dan 1 atmosfeer, spreken we van vacuüm. Op aarde kunnen we het vacuüm op betrekkelijk eenvoudige wijze maken. In de vacuümtechniek maakt men gebruik van pompen, die de lucht uit zogenaamde vacuümkamers kan pompen. In die luchtledige ruimte kunnen processen plaatsvinden, die onder atmosferische druk volkomen ondenkbaar zijn.

Nu is ‘luchtledig’ een rekbaar begrip. Het aantal luchtmoleculen in een cm³ is zó groot, dat de techniek niet in staat is alle moleculen uit een vacuümkamer te verwijderen. Dat is gelukkig ook niet noodzakelijk. Er zijn voldoende processen die bij een lage druk reeds goed verlopen. Het vacuüm wordt als volgt ingedeeld:

Benaming	Druk in mbar	Aantal moleculen per cm3
atmosfeer	1000	1019
laag- of grofvacuüm	1000 - 1	1019 - 1016
midden- of fijnvacuüm	1 - 10-3	1016 - 1013
hoogvacuüm	10-3 - 10-7	1013 - 109
ultra hoogvacuüm	<10-7	<109

Een tweede belangrijk aspect is het volgende: moleculen bewegen met hoge snelheid en botsen voortdurend tegen elkaar, zeker bij een druk van 1 atmosfeer. Daar is de weg tussen twee botsingen ontzettend klein. Maar als er minder moleculen in een vacuümkamer zitten, dan wordt de afstand die de moleculen kunnen afleggen tussen twee botsingen steeds groter. Bij een druk van 10^-3 mbar is deze afstand al 6,7 cm, bij een druk van 10^-6 mbar is deze afstand 1000x zo groot: 67 m! Dit heet de vrije weglengte en dit aspect maakt vele processen mogelijk.

Het voorkómen van fysische of chemische reacties
Dankzij een goede vacuümpomp kon Edison in 1879 een gloeilamp maken. Door het weghalen van de lucht (met name de zuurstof) uit de glazen ballon verbrandde de gloeidraad niet en bleef de lamp lang branden. Op basis van deze uitvinding hebben we heden ten dage de meest uiteenlopende energiezuinige lampen, die véél licht geven.

Maar ook uw vacuümverpakte koffie blijft langer vers als de lucht (lees zuurstof) uit het pak is gepompt. En dat geldt natuurlijk voor al het vacuümverpakte voedsel!

In de techniek worden er steeds meer metalen onder vacuüm gesoldeerd, gesmolten, gehard en gesinterd; het maken van transistoren en geïntegreerde schakelingen hoort hier ook bij.

Het creëren van een drukverschil
Het drukverschil tussen vacuüm en de ons omringende lucht levert ons ongekende krachten. Met behulp van zuignappen tillen we ruiten op, of platen, of grote rollen papier, zonder deze te beschadigen. Ook het opspannen van materiaal op freesbanken geschiedt met vacuüm. Verder gaat filtreren met vacuüm sneller, kunnen remleidingen snel worden gevuld met remvloeistof en kunnen allerlei kunststoffen bakjes worden gevormd voor verpakkingsdoeleinden.

Het verminderen van energieoverdracht
Een goed voorbeeld is de vertrouwde thermosfles met koffie. Doordat deze is opgebouwd uit een binnen- en een buitenfles met daartussen een vacuümisolatie, blijft de koffie veel langer warm. Dit principe wordt ook toegepast bij stadsverwarming: warm water wordt door een kilometers lange 'thermosfles' naar woningen getransporteerd zonder noemenswaardige warmteverliezen. Vloeibare gassen van zeer lage temperatuur worden in grote metalen thermosflessen opgeslagen.

Het verwijderen van gas uit een materiaal
De zogenaamde impregneerolie, die elektrische componenten een betere isolatie geeft, moet eerst worden ontdaan van water en lucht, die in de olie is opgelost. Dit geschiedt onder vacuüm. Ook de elektrische componenten, zoals transformatoren, motoren, condensatoren, hoogspanningskabels enz. worden geëvacueerd, zodat alle lucht eruit is. Daarna worden deze componenten onder vacuüm ondergedompeld in de ontgaste impregneerolie en vervolgens belucht tot 1 atmosfeer. De olie zal nu overal komen waar vroeger lucht zat, waardoor de isolatie vele malen is verbeterd.

Verder worden vloeibare metalen zoals staal en aluminium onder vacuüm ontgast, zodat er geen gietgallen ontstaan en het materiaal veel homogener wordt. Onder vacuüm gevriesdroogde producten zoals geneesmiddelen en voedsel blijven veel langer houdbaar. Zonder vacuüm zouden er geen goede koelsystemen, airconditioners of diepvriezers bestaan.

Het vergroten van de vrije weglengte
Het aantal toepassingen door het vergroten van de vrije weglengte is erg groot. Wetenschappelijk worden massaspectrometers, elektronenmicroscopen en deeltjesversnellers gebruikt. Een veel groter toepassingsgebied is het opdampen. Uw bril heeft ontspiegelde glazen, net als uw fototoestel en verrekijker. Dankzij de vacuümtechniek kunnen er op dit soort oppervlakken meerdere dunne lagen worden aangebracht, die de kwaliteit van de lens enorm verbeteren. Zo worden speciale spiegels en ook folie opgedampt, kijk maar naar het pak koffie of de warmtedeken voor verkeersslachtoffers!

Met de zogenaamde sputtermethode worden ook dunne lagen aangebracht, deze kunnen echter zéér hard zijn, zodat boren, frezen, matrijzen maar ook brilmonturen en balpennen niet alleen een mooie gouden glans hebben, maar ook krasvast en slijtvast zijn. En met de sputtermethode worden de fraaie glazen wanden van moderne gebouwen voorzien van een doorzichtige dunne laag met een mooie kleur, die ook nog eens warmte reflecteert.

Nog een voorbeeld is de cd. Elk cd-tje wordt in 1,5 seconde in vacuüm voorzien van een reflecterende laag, waardoor u kunt genieten van muziek van hoge kwaliteit.

Het creëren van schone condities
In het wetenschappelijk onderzoek van oppervlakken is het ultrahoogvacuüm niet meer weg te denken. Of het nu het onderzoek aan katalysatoren, corrosie of halfgeleiders is, zonder ultrahoogvacuüm zouden we niet díe kennis bezitten, die nodig is om de natuur te begrijpen. Maar ook de fabricage van de meest gecompliceerde geïntegreerde schakelingen voor computers vraagt om een schone ruimte, evenals het testen van de satellieten voor de ruimtevaart.

Het verminderen van wrijvingsweerstand
Het is niet voor niets, dat vliegtuigen op zo’n grote hoogte vliegen! Op 10 km hoogte is de druk nog maar 260 mbar en dat geeft veel minder luchtweerstand dan op zeeniveau. Op aarde draaien ultracentrifuges onder vacuüm, worden bodemmonsters in een centrifuge onderzocht, die in vacuüm draait. Voor de opslag van energie draaien gyroscopen en vliegwielen in vacuüm en wordt erover nagedacht goederen transport met grote snelheid over grote afstand in vacuümtunnels te laten plaatsvinden.

Het bovenstaande is maar een greep uit de vele, vele toepassingen van vacuüm. Zonder vacuüm zouden we nog bij een kaarsje zitten en berichten via een menselijke bode moeten overbrengen. Nu pakken we onze draagbare telefoon en spreken direct met het andere einde van de wereld of verzenden een e-mailtje met onze computer. Dank zij de vacuümtechniek is dit allemaal mogelijk!