Ein Vakuum ist kein abstraktes oder philosophisches Konzept – es ist eine physikalische, klar definierte und quantifizierbare Realität. Es handelt sich um das Fehlen von Atomen in einem Raum. Ein absolutes Vakuum entspricht der vollständigen Abwesenheit von Atomen, doch dieser Zustand ist in der Praxis kaum erreichbar.
In technologischen Anwendungen gilt bereits ein Raum mit einer extrem geringen Anzahl an Luftmolekülen als leer. Doch selbst wenn nur sehr wenige Moleküle vorhanden sind, kann man sie nicht immer vernachlässigen. Daher ist es unerlässlich, ihre Anwesenheit durch Druckmessung zu überwachen.
Vakuum zu messen bedeutet, sich mit Drücken auseinanderzusetzen, die so gering sind, dass sie fast unrealistisch erscheinen – im Bereich von Zehntausendstel eines Bar. Solche Genauigkeiten sind für herkömmliche Druckmesser unerreichbar, können jedoch mithilfe von Sensoren erreicht werden, die auf dem Pirani-Vakuumprinzip basieren – benannt nach seinem Entdecker.
Der Sensor besteht aus einem elektrischen Draht in einer kontrollierten Umgebung, durch den ein konstanter elektrischer Strom fließt. Er misst den Druck nicht direkt, sondern über ein System, das sich das Verhalten von Materie auf geniale Weise zunutze macht.
Wir wissen, dass Atome Wärme miteinander austauschen. Je mehr Atome sich also in einem Raum befinden, desto größer ist der Wärmeaustausch. In unserem Fall bedeutet das: Je mehr Luftmoleküle vorhanden sind, desto stärker erwärmt sich der Draht. Wir wissen, dass ein Temperaturanstieg des Drahts zu einer Erhöhung seines elektrischen Widerstands führt.
Daraus können wir schließen, dass der elektrische Widerstand direkt proportional zur Anzahl der vorhandenen Moleküle ist.
Durch Anwendung bestimmter Formeln lässt sich aus dem Widerstandswert der Umgebungsdruck mit hoher Präzision berechnen.
Eine konkrete Anwendung: der Plasmaautoklav
Ein praktisches Beispiel ist der Einsatz eines Plasmaautoklaven – ein Gerät, das vor allem im medizinischen Bereich zur Sterilisation verwendet wird. Der Prozess beruht auf zwei grundlegenden Schritten:
- Luftentfernung: Das Vakuum sorgt dafür, dass keine Luftreste im Inneren verbleiben, was eine gleichmäßige Temperaturverteilung ermöglicht.
- Verwendung von Wasserstoffperoxid: Dabei handelt es sich um ein besonders wirksames Sterilisationsmittel, das effektiver ist als herkömmlicher Dampf. Es wird verdampft und verteilt sich über alle zu behandelnden Oberflächen.
Damit der Plasmaautoklav einwandfrei funktioniert, ist eine äußerst präzise Vakuummessung unerlässlich. Hier kommt der Pirani Vacuum Logger ins Spiel – ein Messinstrument, das selbst unter extremen thermischen Bedingungen zuverlässig und robust winzige Druckveränderungen überwacht. Einige Jahre nach der Entwicklung dieses Datenloggers stießen wir jedoch auf ein unerwartetes Problem, das uns zwang, unsere Lösung grundlegend zu überdenken...
Die Herausforderung: Schutz des Loggers vor Wasserstoffperoxid
Einer unserer Kunden kontaktierte uns wegen einer Fehlfunktion unseres Vakuummesssystems, das in seinen Plasmaautoklaven im Einsatz war. Obwohl sich der Pirani Vacuum Logger korrekt einschaltete und mit den Datenerfassungssystemen verband, konnte er keinen Druck mehr messen – die Anzeige blieb konstant auf einem Nullwert. Doch wenn das Gerät funktionierte, warum erfasste es dann keine Werte mehr? Es war offensichtlich, dass der Sensor selbst eine Störung hatte.
- Da der Logger für einen Temperaturbereich von -80 °C bis +85 °C ausgelegt ist, konnten wir einen temperaturbedingten Defekt ausschließen – der Plasmaautoklav überschreitet diese Grenze nämlich nicht.
- Auch in anderen Anwendungen, etwa bei der Überwachung von Gefriertrocknungsprozessen, hatten wir mit dem Pirani Vacuum Logger nie derartige Probleme. Unser Verdacht fiel schnell auf das Wasserstoffperoxid.
Warum Wasserstoffperoxid ein Problem für Sensoren ist
Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein äußerst wirksames Sterilisationsmittel – deshalb wird es in Prozessen eingesetzt, bei denen eine besonders gründliche Keimfreiheit erforderlich ist. Gleichzeitig handelt es sich jedoch um eine sehr aggressive Substanz, die Metalle stark angreift und somit auch präzise elektronische Bauteile schädigen kann. Und tatsächlich: Als wir unseren Sensor untersuchten, stellten wir fest, dass die internen Schaltkreise beschädigt waren – gelöste Drähte, unterbrochene Leiterbahnen. Das Wasserstoffperoxid hatte das Messsystem eindeutig angegriffen und funktionsunfähig gemacht. Es war klar: Der Pirani Vacuum Logger muss vor Wasserstoffperoxid geschützt werden. Doch wie?
Ein Filter für die Messung des Vakuums in einem Autoklaven
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten wir einen speziellen Filter für den Pirani Vacuum Logger. Konzeptionell musste dieser Filter als katalytisches System für Wasserstoffperoxid fungieren. Praktisch bedeutet „katalytisch“ in diesem Zusammenhang, dass die Zersetzung der H₂O₂-Moleküle in weniger reaktive Bestandteile beschleunigt wird – wodurch die Anzahl aggressiver Moleküle, die mit dem Sensorsystem in Kontakt kommen könnten, deutlich reduziert wird. Und tatsächlich: Dieses Ziel konnten wir erreichen – ganz ohne Energieverbrauch, allein durch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Materialien. Der Filter besteht aus einem robusten Stahlgehäuse und einer Silikonmembran, die die Kammer abdichtet, in der die Katalyse stattfindet. Das Design basiert auf drei zentralen Prinzipien, um maximale Wirksamkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten:
1. Geeignetes Material. Nach eingehender Analyse der chemischen Eigenschaften von Wasserstoffperoxid wählten wir Mangandioxid als Katalysator. In Kombination mit Epoxidharz bietet dieses Material eine hohe katalytische Leistung, ohne sich abzunutzen oder zu sättigen. Diese Wahl garantiert eine dauerhaft konstante Wirkung.
2. Aufschraubbares Design. Der Filter ist als Schraubkappe ausgeführt und lässt sich per Gewinde einfach mit dem Pirani Vacuum Logger verbinden. Dadurch ist das System modular aufgebaut und der Filter kann bei Bedarf unkompliziert angebracht oder entfernt werden.
3. Innenliegendes Labyrinth zur Oberflächenvergrößerung. Im Inneren des Filters wird die mit Wasserstoffperoxid angereicherte Luft durch einen langen, verschlungenen Pfad geleitet – ein echtes Labyrinth. Diese Konstruktion vergrößert die Kontaktfläche mit dem Katalysator erheblich und steigert so nochmals die Effektivität des Filters.
Installation
Der Filterprototyp, der in unseren Laboren entwickelt wurde, wurde direkt an den Autoklaven des Kunden getestet, der sich als sehr kooperativ erwies. Die Ergebnisse waren sofort und signifikant: Sobald die Filter installiert waren, traten bei den Pirani Vakuum Loggern keine Probleme mehr auf. Schäden durch Wasserstoffperoxid konnten erfolgreich verhindert werden! Dank des neuen Filters erhielt unser Pirani Vacuum Logger zusätzlichen Schutz, der eine optimale Überwachung selbst in einem besonders anspruchsvollen Umfeld wie einem Plasmaautoklaven gewährleistet.
Die Philosophie von Tecnosoft: Innovation und Zusammenarbeit
Der Pirani-Filter ist das Ergebnis einer Unternehmensphilosophie, die auf Experimentieren und Zusammenarbeit ausgerichtet ist. Unsere Produkte entstehen aus den realen Bedürfnissen unserer Kunden und aus einem kontinuierlichen Engagement für die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen. Die enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden und das Angehen komplexer Herausforderungen ermöglichen es uns, zuverlässige und maßgeschneiderte Messgeräte zu entwickeln.