A mikrohullámú sütő és Percy Spencer csokis cukorkája

Az ételek sütésétéhez-főzéséhez hőre van szükség, amihez korábban fát vagy szenet, ma már főleg elektromos áramot vagy gázt használunk. Ezek közös jellemzője, hogy az általuk termelt hő kívülről melegíti fel – tehát főzi meg vagy süti át – az ételeket. És mivel ez több évszázadon át bevált, senkinek nem is jutott eszébe, hogy valami mással kísérletezzen.

A múlt század ötvenes éveiben azonban mégis megjelent egy olyan konyhai eszköz, amely egy egészen másféle anyag, az elektromágneses hullám, azon belül a mikrohullám felhasználásával melegíti fel az ételeket. Ez a mikrosütő, röviden a mikró, amely már csak azért is hamar népszerű lett, mert kényelmesebbé és gyorsabbá is tette a konyhai munkát. És ahogy az gyakran előfordul: ennek a találmánynak is volt köze a háborúhoz, és emellett a véletlen is nagy szerepet játszott a megszületésében.

Hogyan ismerték meg a tudósok az elektromágneses hullámok természetét?

A mikrosütőkben mikrohullámok melegítik fel az ételeket. Ezek olyan elektromágneses hullámok, amelyek frekvenciája kb. 0,3-300 GHz közötti, s a hullámhosszuk 1 m-1 mm.

Ma már tudjuk, hogy az elektromágneses hullámok az egész világegyetemet kitöltik (egyenletes elektromágneses háttérsugárzásként vannak jelen, ami 2,725 K értékű hőmérsékleti sugárzást jelent), ami azonban a 19-dik század végéig még nem volt ismert. Elsőként egy skót matematikus és tudós, James Clerk Maxwell (1831–1879) feltételezte, illetve számolta ki a hullámok valószínűségét matematikai úton, 1864-ben.

Néhány évvel később, 1888-ban a német fizikus, Heinrich Hertz (1857–1894) már kísérletekkel is bizonyította, hogy a rádióhullámok és a fény egyaránt elektromágneses hullámok. A név arra utal, hogy a hullámok ugyan fényszerűek, de egyúttal folyamatosan kölcsönhatásba lépnek az anyag töltött részecskéivel, és egymásra merőleges, oszcilláló elektromos- és mágneses teret hoznak létre. Elsőként Herz állított elő mesterségesen is rádióhullámokat, és mutatta be a frekvenciáik ismeretében, hogy a terjedési sebességük megegyezik a fényével.

A rádióhullámok, az infravörös sugárzás, a mikrohullámok, a röntgensugárzás és az ultraibolya sugarak egyaránt ugyanolyan elektromágneses hullámok, mint a fény, csak más a frekvenciájuk, és így a hullámhosszuk is.

A mikrohullámú tartományt a tudósoknak a huszadik század harmincas éveire sikerült pontosan feltérképezniük, ám ekkor a világpolitikai helyzet miatt kénytelenek voltak háborús szempontokból vizsgálni a gyakorlati felhasználási lehetőségeit. Ettől függetlenül alapfeltételként azt kellett megoldaniuk, hogy mesterséges úton, földi laboratóriumokban is rendszeresen, a veszélyek kizárásával tudjanak előállítani mikrohullámú sugárzást. Ennek elsőként kifejlesztett eszköze a vákuumcsöves magnetron volt, amely generátorként alkalmas nagy teljesítményű sugárzás előállítására. Ezt egyébként brit mérnökök fejlesztették ki a harmincas években, a háborúban használt radarokhoz.

A legelső generátor, amellyel laboratóriumi körülmények közt mikrohullámokat állítottak elő, a magnetron volt. A képen egy felmetszett példányát látjuk. A sütőbe természetesen úgy szerelik be, hogy a belőle érkező sugarak kizárólag a készülék tányérjára helyezett tárgyat érjék, a készülékből semmiképp se tudjanak kiszökni. (Kép forrása)

A magnetron olyan vákuumcső, amelyben a központi katódot hengeres anód veszi körül. A mikrohullám attól keletkezik, hogy a katódról kilépő elektronok az elektromos és mágneses térben belépő erők hatására körpályán mozognak a katódszálat körülvevő anód üregeiben, és ezek rezonanciája adja ki a mikrohullámot. Kezdetben még számos technikai problémát meg kellett oldani ahhoz, hogy a magnetronok jól és biztonságosan működjenek, és ezen többen is dolgoztak.

Az egyik, ezzel foglalkozó cég a Massachusettsben működő Raytheon Manufacturing Company volt, amely az USA Védelmi Minisztériumával állt szerződésben. Itt dolgozott Percy Spencer is (1894 – 1970), aki 1939-re a radarcsövek tervezésének terén a világ egyik legjobb szakértőjévé vált, s a harci radarberendezések fejlesztésére és gyártására szóló megbízatást is ez a cég kapta meg. Érthető, hogy Spencernek ekkor nem jutott eszébe a mikrohullámok másféle felhasználásán is gondolkodni. Ám ekkor szólt közbe a véletlen.

A robbantott tojástól a kávémelegítésig

Egy alkalommal Spencer épp egy aktív radarkészülék előtt állt, amikor benyúlt a zsebébe egy csokis cukorkáért, majd meglepve tapasztalta, hogy amit megfogott, az forró és lágy. Ám mivel ő épp attól volt tudós, hogy ne menjen el egy ilyen jelenség mellett, nem kidobta a cukrot, hanem párokat keresett mellé. Éspedig olyan tárgyakban, amelyekkel bizonyítani tudja, hogy a cukorral nem véletlenül történt, ami történt, vagyis hogy a jelenség mögött létezik egy általánosítható törvényszerűség is. Ezért fogott egy csomag pattogatott kukoricát, és odatette a magnetronnal működő radar elé. Most már valószínűleg nem lepődött meg, amikor a kukoricaszemek sorra váltak szanaszét röpdöső, fehér kis pelyhekként a radar tányérja körül. Egyedül az a munkatársa járt rosszul, aki alighanem kételkedhetett az összefüggés létében, és amikor Spencer egy tojást tett a radar fölé, egy teáskannában, kíváncsiskodva belenézett, hogy történik-e ott valami egyáltalán. Sajnos neki már volt min csodálkoznia, mert a hirtelen felforrósodott tojás a szó szoros értelmében belerobbant az arcába.

Közismert, hogy a mikróba nem szabad fémeket tenni. Hogy ennek mi az oka, azt ebből a videóból is megtudhatod.

Mindenesetre ettől egyértelművé vált, hogy a magnetronban gerjesztett mikrohullám felmelegíti az ételeket, ezért Spencer úgy döntött, hogy érdemes dolgoznia ennek egy konszolidált lehetőségén. Így született meg a mikrohullámú sütő, amelynek zárt fémdobozában úgy működhet a generátor, hogy az általa gerjesztett hullámok onnan nem szökhetnek ki, az ételek viszont felmelegszenek, megfőnek odabenn.

Ennek a következő mechanizmus az alapja: a mikróban használt, 2,45 GHz frekvenciájú hullámhoz tartozó elektromos tér iránya 1 másodperc alatt 2,45 milliárd alkalommal fordul meg. Az elé tett ételek mindegyike rendelkezik víztartalommal. A vízmolekula bipoláris, vagyis az egyik oldala kissé negatív, a másik kissé pozitív, ezért a vízmolekula követi az elektromos térirányt. Egy irányváltás ideje alatt a vízmolekula szintén éppen át tud fordulni, miközben súrlódik a szomszédos részecskékkel. A 2,45 GHz frekvencia pedig igen nagy súrlódást jelent. Vagyis az ételek itt a mágneses tér hatására forgolódó részecskék egymás közötti súrlódásától melegszenek föl.

Más szóval: belülről kifelé melegszenek, és így a melegítésre fordított energia nagyon koncentrált. A kényelem mellett nagy előnye még a mikrónak, hogy mivel az ételek belülről melegednek fel, ennek során az ételek külsején semmiképp sem keletkezik barna, túlsült kéreg, ami a sütőkben gyakori, és olykor az egészséget is veszélyeztetheti. A mikróban tehát nem játszódik le az ún. Maillard-reakció, amelynek során a cukormolekulák és a fehérjék a magas hő hatására reakcióba lépnek egymással. Itt tehát nem jönnek létre azok a barna szín- és aromaanyagok, amelyek ugyan ropogóssá teszik a krumplit, a húst vagy a kenyeret, de ha túl sokat eszünk belőlük, akár súlyos bajokat is okozhatnak.

Sokan mindezek ellenére a mikrohullámú sütőt veszélyesnek tartják, ám ez csupán megalapozatlan fantázia. Attól, hogy egy ételt nem kívülről melegítünk fel, hanem a benne lévő vízmolekulák mozgásának kihasználásával, az égvilágon senkinek semmi baja nem lesz. A veszélyt a készülékben egyedül a benne gerjesztett hullámok okozhatnák, ezekből azonban még annyi sem jut ki a környezetbe, mint amennyi egy rádiókészülék vagy a mobilunk használata közben ér minket. Ezért sokkal érdemesebb az előnyeinek örülni, mint másokat a nemlétező veszélyeivel riogatni.

Lévai Júlia