Anwenderberichte
Dr. Volkmar Zielasek am Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer und UHV-System – mit Vakuum-Schraubenpumpen VACUU·PURE®
© Universität Bremen
In der Oberflächenchemie entscheiden winzige Moleküle über den Erfolg eines Experiments. An der Universität Bremen setzt man auf die öl- und abriebfreie Schraubenpumpe VACUU·PURE®, um hochreine Bedingungen für Spektroskopie und Ultrahochvakuum-Anwendungen zu schaffen. Im Interview berichtet Dr. Volkmar Zielasek vom Institut für Angewandte und Physikalische Chemie von seinen Erfahrungen, wie die leistungsstarke und wartungsfreie Technologie seine Forschung unterstützt.
Dr. Volkmar Zielasek begeisterte sich bereits als junger Physiker für die Oberflächenwissenschaft – insbesondere für Ultrahochvakuum-Technik. Seinem Schwerpunkt blieb er treu und trat vor 20 Jahren der Arbeitsgruppe von Prof. Bäumer an der Universität Bremen bei. Heute hat er dort einen Lehrauftrag für Physikalische Chemie. Die Nähe zur Nordseeküste kommt dem Hobby-Windsurfer sehr gelegen.
Da wir ein sehr sauberes Vakuum für unsere Experimente benötigen, haben Vakuumpumpen wie die ölfreie Schraubenpumpe VACUU·PURE eine große Bedeutung für die Oberflächenchemie. Damit unterstützen sie unsere Grundlagenforschung in der heterogenen Katalyse, z.B. zum Thema nachhaltiger Energieträger. Es ist vorteilhaft, eine leistungsstarke und robuste Pumpe wie VACUU·PURE zu haben, die zuverlässig im Hintergrund funktioniert – und auch kleinere Bedienungsfehler im Studierendenbetrieb verzeiht.
Was ist für Experimente der Oberflächenchemie essentiell?
Dr. Volkmar Zielasek: Für unsere Arbeit ist ein sehr sauberes Vakuum absolut entscheidend. Schon kleinste Verunreinigungen wie Kohlenwasserstoffe würden unsere Experimente stören. Deswegen setzen wir bevorzugt auf ölfreie Pumpensysteme, die ideale Bedingungen für präzise Untersuchungen in der Oberflächenchemie schaffen.
Am Institut für Angewandte und Physikalische Chemie forschen wir im Team von Prof. Bäumer an Grundlagen der heterogenen Katalyse – einem Bereich, der unter anderem für die Entwicklung nachhaltiger Energieträger wie Wasserstoff relevant ist. Dafür präparieren wir Einkristalloberflächen und bringen darauf gezielt Gase zur Adsorption. Die entstehenden Reaktionen auf der Oberfläche verfolgen wir mit verschiedenen spektroskopischen Methoden und der Massenspektrometrie.
Ein zentrales Element unserer Arbeit ist die Herstellung dünner Filmschichten als Katalysatoren auf den Einkristalloberflächen. Ein typisches Beispiel sind Oxide seltener Erden, die wir auf Metall präparieren und die etwa für die Wassergas-Shift-Reaktion von Interesse sind. Ebenso untersuchen wir aber auch ligandenverknüpfte Platin Nanopartikel auf Mikroelektronik Sensoren, die später als Wasserstoffsensoren eingesetzt werden sollen. Im Ultrahochvakuum prüfen wir unter anderem ihre thermische Stabilität.
Wie gewährleisten Sie ein sauberes Vakuum?
Dr. Volkmar Zielasek: Früher haben wir klassischerweise nur ölgedichtete Drehschieberpumpen verwendet. Diese erweisen sich bei regelmäßiger Wartung als relativ langlebig. Jedoch kann Ölnebel durch Diffusion in die Vakuumkammer gelangen. Wir setzen zwar Ölnebelfilter ein, diese mindern jedoch etwas die Saugleistung der Pumpen.
Deswegen nutzen wir seit einigen Jahren auch ölfreie Scrollpumpen. Diese können wir ohne Ölnebelfilter betreiben, um unerwünschte Kohlenwasserstoffe zu vermeiden. Allerdings geraten die Dichtungen in direkten Kontakt zu Stahlflächen, was zu Abrieb und damit Leistungsverlust führt. Trotz Dichtungswechsel war die Saugleistung so beeinträchtigt, dass wir einige Geräte schon nach wenigen Jahren komplett ersetzen mussten.
Beide Pumpentypen erfordern nach unserer Erfahrung einen sehr hohen Wartungsaufwand. Dazu gehören Ölwechsel bei Drehschieberpumpen oder Dichtungswechsel bei Scrollpumpen. Während dieser Zeit können wir unsere Anlage natürlich nicht einsetzen – das alles kostet uns Geld und Arbeitsaufwand.
Welche Alternative bieten Schraubenpumpen?
Dr. Volkmar Zielasek: Wir sind immer an ölfreien und wartungsarmen Pumpentechnologien interessiert. Für uns war neu und entscheidend, dass es Schraubenpumpen, die bekanntlich ohne Schmier -und Dichtmittel auskommen, inzwischen in einer kompakten Bauweise fürs Labor gibt. Wir erhoffen uns, damit über viele Jahre wartungsfrei die benötigte Saugleistung zu erzielen – das erspart Stillstandzeiten und Betriebsmittelkosten.
In einem mehrwöchigen Test konnte ich das Saugvermögen des Modells VACUU·PURE mit anderen Pumpentypen vergleichen. Nominal lagen die Werte bei 5 m³/h für die Drehschieberpumpe, 10 m³/h für die Schraubenpumpe und 15 m³/h für die Scrollpumpe. Bereits bei Drücken von etwa 1 mbar hatte die Schraubenpumpe allerdings beim druckabhängigen Saugvermögen die Nase vorn.
Bei noch niedrigeren Drücken übertraf sie beide Vergleichspumpen deutlich – in meinem Beispiel um mindestens den Faktor sechs gegenüber der Drehschieberpumpe, auch wegen deren Ölnebelfilter. Für unseren Einsatz als Vorpumpe, bei dem wir bis in den Bereich von 10⁻3 mbar gelangen müssen, bringt uns die Schraubenpumpe deutlich schneller ans Ziel. Damit sehen wir sie als echte Alternative an.
Wie unterstützt VACUU·PURE am Spektrometer?
Dr. Volkmar Zielasek: Wir verwenden VACUU·PURE dauerhaft an einem Infrarotspektrometer, das mit Stickstoff gespült wird. Die optische Kammer wird dabei auf etwa 1 mbar evakuiert. Der trockene Betrieb ist hier entscheidend, um absolut sicherzugehen, dass kein Ölnebel ins Gerät gelangt.
Zuvor nutzten wir eine Scrollpumpe, die grundsätzlich eine bewährte ölfreie Technologie darstellt. Für unseren Dauerbetrieb
am Spektrometer stellte sich jedoch der Abrieb der Dichtungen als Schwachstelle heraus, was zu Ausfallzeiten führte. Die Schraubenpumpe arbeitet bisher zuverlässig im Hintergrund, ist robust gegenüber kleineren Bedienfehlern und ermöglicht es auch Bachelor- und Masterstudierenden, das Gerät sicher für ihre Projekte zu nutzen. Das Spektrometer mitsamt Vakuumventilen wird dabei komfortabel über einen Rechner gesteuert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schraubenpumpe unempfindlich gegenüber kondensierenden Dämpfen ist, bei uns insbesondere Wasser. Falls feuchte Atmosphäre gepumpt werden muss, benötigt die Pumpe im Gegensatz zu anderen Pumpentypen keinen zusätzlichen Gasballast.
Ist VACUU·PURE auch für UHV-Anlagen geeignet?
UHV-System der Arbeitsgruppe Bäumer für Modellstudien zu heterogener Katalyse – mit Vakuum-Schraubenpumpe VACUU·PURE‘® als Vorpumpe
© Universität Bremen
Dr. Volkmar Zielasek: Ja – wir wollen die Schraubenpumpen tatsächlich auch an unseren Ultrahochvakuum-Anlagen nutzen. Für eine dieser Anlagen mit zwei Vakuumkammern haben wir bereits zwei weitere Schraubenpumpen bestellt, die dauerhaft installiert werden sollen.
Welche weiteren Pläne haben Sie für die Zukunft?
Dr. Volkmar Zielasek: Langfristig denken wir auch an Experimente zur Katalyse unter Umgebungsbedingungen – also unabhängig vom Ultrahochvakuum. Dabei bringen wir Testkatalysatoren unter Atmosphärendruck in kleine, beheizbare Reaktoren ein. Die Produkte analysieren wir insbesondere an Gaschromatographen in Kombination mit Massenspektrometern. Auch für diesen Bereich werden wir sicherlich in Zukunft versuchen, auf die ölfreie und wartungsfreie Technik der Schraubenpumpen zu setzen.
Wir danken Dr. Volkmar Zielasek und der Universität Bremen für das Interview.
