Man drückt auf den Knopf und dann wird das Essen mit Strahlung erhitzt. Das weiß vermutlich jeder, aber wie funktioniert eine Mikrowelle eigentlich genau?

Obwohl in Deutschland heute rund 75 % aller Haushalte über mindestens einen Mikrowellenherd verfügen (in den USA sind es sogar nahezu 100 %), hat das Gerät in manchen Kreisen noch immer einen zweifelhaften Ruf. Das dürfte zum einen an der schnelleren und einfachen Zubereitung von Speisen liegen – denn nur was lange währt, wird schließlich auch gut – zum anderen aber auch am mangelnden Verständnis, wie so eine Mikrowelle überhaupt funktioniert. Während ein Herd, ein Ofen oder auch ein Grill deutlich spürbare und oft auch sichtbare Hitze erzeugen, die dann auf die Speisen übertragen wird, bleibt der Prozess in der Mikrowelle deutlich undurchsichtiger und somit für viele auch suspekt. Da geht es um unsichtbare Mikrowellen und somit um Strahlung, was ja erfahrungsgemäß eher ungesund ist. Wie aber schon jeder Hobbyphysiker weiß, arbeiten selbstverständlich auch alle anderen Kochgeräte mit Strahlung, lediglich in einem anderen Frequenzbereich. Das macht die Funktionsweise eines Mikrowellengeräts grundlegend anders, aber keineswegs schlechter, wenn es um die Gesundheit der zubereiteten Speisen geht. Wir wollen hier daher die genaue Funktionsweise eines Mikrowellenherds erklären und so eventuelle Missverständnisse und Fehlinformationen ausräumen.

Das wichtigste Bauteil eines Mikrowellenherds ist der sogenannte Magnetron, in dem die elektromagnetischen Wellen erzeugt und dann in die Garkammer geleitet werden. Der Begriff „Mikrowelle“ ist ein Trivialname und wissenschaftlich nicht exakt. Er bezeichnet elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich, also im Frequenzbereich zwischen ca. 0,5 und 300 Gigahertz, was Wellenlängen von 1 Millimeter bis zu 45 Zentimetern entspricht. Da ein Magnetron stets nur Wellen einer bestimmten Frequenz erzeugen kann, hat sich aus verschiedenen Gründen auf die wir weiter unten eingehen werden, in der Praxis eine Frequenz von 2,455 Gigahertz (Wellenlänge 12,22 Zentimeter) bei Mikrowellengeräten durchgesetzt.

Wie wirkt die Mikrowelle?

Die Übertragung von Wärme auf Speisen funktioniert bei den anderen, traditionelleren Geräteklassen entweder über direkte Wärmeleitung oder aber über die Absorption von Infrarotstrahlung. Bei Mikrowellen wird die Energie zwar ebenfalls durch die Speisen absorbiert, im Gegensatz zur infraroten Strahlung dringen die Wellen hier aber wesentlich tiefer ein. Während bei Infrarotstrahlung in der Regel nur die äußersten Schichten betroffen sind und somit auch erhitzt werden, können elektromagnetische Mikrowellen mehrere Zentimeter tief in die Speisen eindringen und diese somit auch direkt im Inneren erhitzen.

Die infrarote Strahlung kann Stoffe vollkommen unabhängig von deren Aufbau und Zusammensetzung erhitzen, indem die Moleküle zum Schwingen angeregt werden. Mikrowellen dagegen sind auf elektrische Dipole im Stoff angewiesen, da diese durch die elektrische Feldstärke der elektromagnetischen Wellen ein Drehmoment erfahren und in Rotation versetzt werden. Genauso wie eine stärkere Schwingung entspricht auch eine Rotation der Moleküle einer höheren Temperatur. Ein Dipol, der sich sehr gut für die Erwärmung durch Mikrowellen eignet, ist Wasser. Genau aus dem Grund lassen sich auch flüssigkeitsreiche Speisen besonders gut in der Mikrowelle erhitzen, während trockene Zutaten deutlich mehr Garzeit benötigen.

Warum 2,455 Gigahertz?

Wie oben schon erwähnt, arbeiten die meisten handelsüblichen Mikrowellengeräte heutzutage mit einer Frequenz von knapp 2,5 Gigahertz. Das hat mehrere Gründe:

  1. Magnetrone lassen sich in manchen Frequenzbereichen deutlich einfacher herstellen, sind somit also auch billiger. Außerdem verfügen die Bauteile im genannten Bereich über einen höheren Wirkungsgrad, als das bei anderen Frequenzen der Fall wäre.
  2. Die Wellenlänge der erzeugten Strahlung muss außerdem der Größe des Garraums und der Ausrichtung der Türdichtung angepasst werden. Allein deswegen ist eine deutlich größere Wellenlänge als die üblichen 12,22 Zentimeter nicht möglich.
  3. Die gewählte Wellenlänge hat einen direkten Einfluss darauf, wie viel und wo die Energie von den Speisen aufgenommen wird. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie wird auch absorbiert. Der Nachteil dabei ist aber, dass die Eindringtiefe mit zunehmender Frequenz abnimmt. Bei einer zu hohen Frequenz würde also auch bei Mikrowellen lediglich die Oberfläche erwärmt. In der Praxis haben sich die 2,455 Gigahertz auch deshalb durchgesetzt, da hier die Eindringtiefe mehrere Zentimeter beträgt, der Anteil der absorbierten Energie aber trotzdem noch relativ hoch ist.
  4. Es muss sich bei der gewählten Frequenz selbstverständlich um einen Bereich handeln, der ohne zusätzliche Lizenzen oder Genehmigungen problemlos genutzt werden kann. Der Bereich zwischen 2,4 und 2,5 Gigahertz ist so ein weltweit nutzbarer Frequenzbereich. Zumindest für industrielle Geräte werden in manchen Ländern aber auch andere Bereiche genutzt, etwa der zwischen 902 und 928 Megahertz.

Bei einem nüchternen Blick auf die Fakten wird schnell klar, dass es sich bei der Zubereitung in einer Mikrowelle weder um Hexerei, noch um gesundheitsschädigende Bestrahlung handelt. Die elektromagnetischen Wellen haben keine negative Auswirkung auf die Speisen und können dank eines metallisch abgeschirmten Garraums auch nicht auf die Umgebung wirken. Da der Wirkungsgrad außerdem, gerade bei kleinen Portionen, deutlich höher ausfällt als das bei einem Herd der Fall wäre, lässt sich so auch Energie sparen. Die vielfältigen Einsatzgebiete einer Mikrowelle sprechen ebenfalls für sich. Viele gute Gründe also, ein eventuell negatives Bild, das manche noch von Mikrowellen haben, zu überdenken.

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