Muß der Behälter des Rotors in der Lichtmühle unbedingt eine Kugel sein ?

Ein Beitrag in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für Plasma- und Vakuumtechnik Thüringen
Kaum ein Gegenstand aus dem Thüringer Glaskunstgewerbe bedarf für seine Herstellung gleichzeitig hoher Fertigkeit im Glasblasen, hohen Wissensstand um die beteiligten Materialien sowie eines hohen Maßes an Kenntnissen der Physik und soll ein wirtschaftlicher Erfolg erzielt werden guter Kenntnisse des Marktes, gepaart mit einem gewissen Verkaufstalent als die gute, alte Lichtmühle. Im Gegensatz zu früheren Zeiten kann man eine Lichtmühle heute, 1998, recht einfach in nahezu allen Geschäften kaufen, die Glaskunstgegenstände in ihrem Sortiment führen. Noch vor zehn Jahren waren die Lichtmühlen äußerst begehrte Objekte, die zu erwerben nicht nur gutes Geld, sondern auch noch gute Verbindungen erforderte. 
Gehen wir doch einmal weiter zurück in die Zeit, in welcher die Lichtmühlen entstanden sind, d. h., gehen wir einmal 100 Jahre und sogar fast 125 Jahre oder gar fast 175 Jahre rückwärts, um uns die Entstehung der Lichtmühlen, sie werden auch Radiometer genannt, wieder deutlich zu machen. Der Franzose Augustin Jean Fresnel (1788 -1827), von Beruf Straßen- und Brückenbauingenieur, befaßte sich nebenberuflich mit physikalischer Optik, und er ist hauptsächlich durch die gerade zu unserer Zeit sehr wichtige "Fresnel-Linse" bekannt. Er entdeckte 1825 das radiometrische Prinzip, aus welchem nahezu 50 Jahre später das Radiometer entstand.
 
Es bedurfte nämlich hierzu der weiteren Entwicklung der Vakuumtechnik. So entwickelte der hoch motivierte Thüringer Glasbläser Heinrich Geißler (1814 - 1879) im Jahre 1857 in Bonn die sog. Quecksilberluftpumpe, mit deren Hilfe Absolutdrücke von 0,01 mbar in Glasgefäßen erzeugt werden konnten. Das Endvakuum dieser Pumpen lag also ziemlich dicht beim idealen Arbeitsdruck der Lichtmühlen. Und so war es fast zwingend, daß 17 Jahre nach Heinrich Geißlers Pumpenkonstruktion von einem Forscher, der sich ebenso wie Geißler mit der Gasentladungsphysik befaßte, das Radiometer gebaut wurde. Der Londoner Chemiker und Physiker Sir (seit 1897) William Crookes, besonders bekannt wegen seiner Untersuchungen an Gasentladungen in Glasröhren ("Crookes'scher Dunkelraum") beobachtete den Radiometereffekt und entwickelte 1874 ein wissenschaftliches Instrument, das wir heute Lichtmühle oder Crookes'sches Radiometer nennen. Um aufzuzeigen, wie dieses äußerst interessante Gerät funktioniert, hat der GEHEIMRAT in alten Schmökern gestöbert und kann hier eine Beschreibung mit Abbildung von ca. 100 Jahren zuvor darbieten (aus Meyers Konversationslexikon, Bd. 14, Leipzig und Wien, 1896):
Wenn wir uns Lichtmühlen aus heutiger Zeit betrachten, fällt auf, daß sie nur in wenigen Details von dem 1896 abgebildeten Exemplar abweichen. Man vermeidet allein schon aus Kostengründen die große obere und untere zylindrische Verlängerung an der Kugel, und wenn schon ein Standfuß für die Lichtmühle verwendet wird, dann ist er gleich ebenfalls aus Glas. Wir können zweifellos davon ausgehen, daß diese Form von Radiometern eine 100-jährige Fertigungstradition in Thüringen hat! Der GEHEIMRAT bittet an dieser Stelle alle Leser, die noch alte Kataloge oder Kopien davon besitzen, sich bei der Redaktion zu melden. Vielleicht läßt sich noch genau feststellen, wann die Lichtmühle in Thüringen zum erstenmal auftaucht. Interessant sind die im "Meyers" gewissermaßen zum Aussuchen gegebenen Erklärungen für die Funktionsweise der Lichtmühle, und es mußten wohl noch einige Jahre ins Land gehen, bis man sich darüber klar geworden war, daß eine kleine Hypothese korrigiert werden mußte, die dem damaligen Kenntnisstand entsprach und die man leicht übersieht: "Das Gefäß wird mittels einer Quecksilberluftpumpe möglichst luftleer gemacht und dann zugeschmolzen". Diese Angabe ist falsch und könnte bei einem der rd. einem Dutzend vorwiegend kleinen Betrieben, welche sich heute noch mit der Herstellung der Lichtmühlen befassen, zu verhängnisvollen Fehlinvestitionen und - was noch schlimmer wäre - zu einer enormen Verschlechterung der Qualität der Lichtmühlen führen. Ganz richtig wird im "Meyers" erklärt, daß das Rädchen der Lichtmühle um so schneller dreht, je stärker die Lichteinstrahlung ist. Da sich der GEHEIMRAT bemüht, eine möglichst präzise Erklärung des Phänomens der Lichtmühlen zu geben, fügen wir hinzu, daß es unbedingt eines Anteils des Lichtes zur Drehung der Lichtmühlenflügel bedarf, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, nämlich der Infrarotstrahlung. Bei intensivem Sonnenlicht dreht sich eine Lichtmühle erheblich schneller als bei sehr hellem Neonlicht, weil dessen IR-Anteil kleiner ist. Die klassische Glühbirne, die einen sehr hohen Stromverbrauch aufweist, vermag den Rotor der Lichtmühle ebenso anzutreiben wie der Strahl eines schwachen IR-Lasers. Die Drehzahl des Lichtmühlenrotors ist aber nicht allein von der Intensität der IR-Strahlung abhängig sondern auch vom Druck in der Kugel, anders ausgedrückt: es gibt ein ideales Vakuum für Lichtmühlen, und dieses Vakuum ist keineswegs so niedrig wie möglich. Einerseits ist bei Atmosphärendruck die Rotation der Plättchen in der Lichtmühle durch die zu große Konzentration von Gasmolekülen stark behindert, die Gasreibung ist zu hoch. Mit sinkendem Druck in der Kugel wird die Gasreibung niedriger, und sie wäre im Hochvakuum (d. h. bei Molekularströmung) kaum noch wahrnehmbar. Andererseits bleibt der Rotor schlicht stehen, wenn in ihrem Inneren ein Druck von 10 - 5 mbar (0,00001 mbar) herrscht. Bei zu tiefem Druck nämlich sind nicht mehr genügend Gasmoleküle vorhanden, um, durch die höher erwärmte schwarze, mit Ruß beschichtete Seite der Glimmerplättchen mit höherem Impuls versehen, genügend Drehmoment für den gesamten Rotor aufzubringen. Einerseits heißt höherer Druck höheres Drehmoment aber auch höhere Gasreibung. Wo liegt denn nun der ideale Druck in einer Lichtmühle? Man hieße nicht GEHEIMRAT, wenn man das recht gut gehütete Geheimnis einiger wissender Glasbläsermeister nicht lüften wollte.
 
Damit verraten wir allerdings keine Betriebsgeheimnisse, im Gegenteil: wir möchten darüber aufklären, wie schwierig die Fertigung von Lichtmühlen eigentlich ist. Viel know-how, viel Zeit und Liebe zum Beruf sind zur Herstellung der Lichtmühle, dieses typisch Thüringer Produktes notwendig. Es ist nicht billig, wird jedoch hier und da "unter Wert" verkauft. Man ist versucht, beim einen oder anderen Hersteller von einer gewissen Form von Selbstausbeutung zu sprechen. Weil es tatsächlich schon vorgekommen ist, daß nach dem Motto "möglichst luftleer" Investitionen in ausgesprochene Hochvakuumpumpen für den Preis eines Mittelklassewagens getätigt worden sind, sagen wir es klipp und klar: 5 * 10 - 2 mbar bzw. 0,05 mbar ist der richtige Betriebsdruck in einer Lichtmühle.
Erinnern wir uns an Heinrich Geißlers verbesserte Quecksilberluftpumpe, sie konnte etwa 0,01 mbar erzeugen. Wenn die Kugel des Radiometers ordentlich ausgeheizt wird (400°C) und zwar bei angeschlossener Vakuumpumpe, dann ein Druck von 0,02 bis 0,03 mbar "eingestellt" wird, herrscht nach dem Abschmelzen ein Druck von ca. 0,05 mbar, der ideale Lichtmühlendruck (spitzfindige Betrachtungen über nur kirschgroße Radiometer oder verschiedene Gasarten wollen wir hier unterlassen). Die Abhängigkeit der Radiometer- oder Lichtmühlendrehzahl vom Druck ist so schön reproduzierbar, daß auf dieser Basis schon Meßgeräte, also Vakuummeter vorgeschlagen worden sind. Eines der genauesten Vakuummeßgeräte überhaupt ist das Kugelreibungsvakuummeter, welches von J. Fremmerey und Kollegen in Jülich entwickelt wurde. Sein Meßbereich geht heute von 10 - 7 mbar bis 1000 mbar, die Idee hierzu nahm vom Crookes'schen Radiometer ihren Ausgang. Fortschritte bei der Herstellung der Radiometer sind sowohl bei der Formgebung (warum muß der Behälter des Rotors unbedingt eine Kugel sein?) als auch in technisch physikalischer Hinsicht möglich und wünschenswert. Die normalerweise quadratischen Glimmerplättchen der Rotoren sind offenbar bereits in den 30er Jahren rund ausgeführt worden. Warum müssen diese Plättchen unbedingt aus Glimmer sein? Auch in anderen Materialien könnten große Temperaturgradienten erzielt werden. Man könnte die Plättchen überhaupt anders beschichten, zumal das Berußen in der altehrwürdigen Weise einen Anachronismus darstellt. Plättchen mit grauviolettem Schimmer durch die Titan-Oxinitrid- Beschichtung werden in wenigen Wochen zur Verfügung stehen, der GEHEIMRAT bleibt am Ball. Schließlich könnte auch die Lagernadel mit CrN beschichtet werden, einer sehr harten Keramik mit geringer Reibung. Über Fortschritte, auch in der Formgebung, wird weiter berichtet werden.
Radiometer:
(Strahlungsmesser, Lichtmühle), ein von Crookes1874 erfundener Apparat, besteht aus einem vierarmigen Rädchen (s. Figur), welches mittels eines Glashütchens auf einer Nadelspitze leicht drehbar aufgesetzt ist. Jeder der aus Platindraht verfertigten Arme trägt an seinen Ende ein vertikal gestelltes Blättchen aus geglühtem Glimmer, dessen eine Seite mit Ruß geschwärzt ist und zwar so, daß die berußten Flächen alle nach derselben Seite gekehrt sind. Das Ganze ist in eine hohle Glaskugel von 5 - 6 cm Durchmesser eingeschmolzen, welche sich nach oben und unten röhrenförmig verlängert; von obenher ragt eine dünne, unten offene Glasröhre in die Kugel hinein, welche beim Neigen des Apparats das Glashütchen faßt und es verhindert, von der Spitze wegzufallen. Das Gefäß wird mittels einer Quecksilberluftpumpe möglichst luftleer gemacht und dann zugeschmolzen. Setzt man das Radiometer den Strahlen einer Licht- oder Wärmequelle aus, so dreht sich das Rädchen mit einer der Stärke der Strahlung proportionalen Geschwindigkeit, indem die nicht geschwärzten Flächen vorangehen. Ein bei gewöhnlicher Temperatur stillstehendes Radiometer dreht sich in umgekehrter Richtung, mit den schwarzen Flächen voran, wenn man es in ein Gefäß mit kaltem Wasser setzt.
 
(Beschreibung der Funktion eines Radiometers in Meyers Lexikon)