Rotierende Quecksilberluftpumpe

Eine rotierende Quecksilberluftpumpe pumpt Lampen und Elektronenröhren leer, und zwar mit einem drehenden Teil, in dem Quecksilber als flüssiger Kolben wirkt. In Wolfgang Gaedes Pumpe von 1905 saugt jede gekrümmte Kammer einer Trommel Gas aus dem Gefäß an, während sie aus dem Quecksilber auftaucht, und drückt es beim Wiedereintauchen ins Gehäuse, aus dem eine zweite Pumpe es absaugt. F. Schulze-Berge hatte schon 1893 eine rotierende Quecksilberpumpe beschrieben, die sich maschinell antreiben ließ; Gaedes Pumpe wurde in großer Zahl für die Lampen- und Röhrenindustrie gebaut.

Was es ist

Eine Vakuumpumpe entfernt Gas aus einem geschlossenen Gefäß. Um 1900 brauchten die Hersteller von Glühlampen, Röntgenröhren und Elektronenröhren weit niedrigere Drücke, als eine Kolbenpumpe erreicht, denn Luft, die in einem Kolben bleibt, verdirbt einen heißen Glühfaden. Die besten Pumpen der Zeit ersetzten den festen Kolben durch einen flüssigen aus Quecksilber.

Rotierende Pumpen machten dieses Prinzip stetig. In der Form, die Wolfgang Gaede 1905 vorstellte, dreht sich eine in gekrümmte Kammern geteilte Trommel langsam in einem geschlossenen, etwa zur Hälfte mit Quecksilber gefüllten Metallgehäuse. Ein Elektromotor treibt sie an, niemand muss sie von Hand bedienen.

Wie es funktioniert

Die Pumpe arbeitet in Stufen. Eine getrennte Vorpumpe senkt zunächst den Druck im Gehäuse. Die rotierende Pumpe zieht dann das restliche Gas aus dem Gefäß und schiebt es in diese schon verdünnte Atmosphäre, aus der die Vorpumpe es entfernt.

Jede Kammer der Trommel öffnet sich über dem Quecksilber zum Gefäß hin, taucht dann ein und wird geleert.

Während sich die Trommel dreht, behält das Quecksilber seinen Spiegel, und die Kammern bewegen sich hindurch. Auf der Seite, wo eine Kammer aus dem Quecksilber auftaucht, wächst der freie Raum in ihr, und Gas aus dem Gefäß strömt durch das Saugrohr hinein, das in der Trommel über dem Quecksilber mündet. Auf der anderen Seite taucht die Kammer wieder ein: Das Quecksilber steigt darin wie ein Kolben und drückt das Gas ins Gehäuse, aus dem die Vorpumpe es absaugt. Danach taucht die Öffnung der Kammer unter das Quecksilber und schließt sich. Jede Umdrehung trägt etwas Gas aus dem Gefäß fort, und der Druck darin sinkt Schritt für Schritt.

Dieselbe Idee steckte schon in älteren Quecksilberpumpen, bei denen eine Quecksilbersäule den festen Kolben einer mechanischen Pumpe ersetzte und von Hand gehoben und gesenkt wurde. Indem sich die Kammern durch das Quecksilber drehten, wurde der Zyklus stetig, und ein Motor konnte ihn antreiben.

So geht’s

In Wasser gedrückt, schließt ein umgedrehtes Glas eine Luftblase ein; gekippt, lässt es sie frei, wie jede Kammer der Trommel.

Zwei einfache Modelle aus Wasser und Pappe zeigen den Zyklus der Pumpe.

Eine Luftblase einschließen. Eine große Schüssel mit Wasser füllen. Ein durchsichtiges Glas umgedreht halten und gerade hinunterdrücken: Die Luft kann nicht entweichen, und das Wasser steigt nur ein kleines Stück hinein, von der eingeschlossenen Luft zurückgehalten. Das Glas unter Wasser langsam kippen, bis sich sein Rand auf einer Seite hebt: Die Luft entweicht als große Blase, und Wasser füllt das Glas. In der Pumpe verschließt die Quecksilberoberfläche jede Kammer ebenso und füllt sie dann.

Den Zyklus drehen. Auf feste Pappe einen Kreis von etwa 20 cm Durchmesser als Gehäuse zeichnen und seine untere Hälfte bis zu einer waagerechten Linie blau ausmalen: Das ist der Flüssigkeitsspiegel. Oben am Kreis ein kleines Quadrat als Auslass zur Vorpumpe markieren. Aus einer zweiten Pappe eine Scheibe von etwa 16 cm Durchmesser schneiden und darauf drei gekrümmte Kammern wie die Flügel eines Ventilators zeichnen. Die Scheibe mit einer Musterbeutelklammer in der Kreismitte befestigen. Langsam drehen und einer Kammer folgen: Taucht sie aus dem Blau auf, wächst ihr Teil über der Flüssigkeit, und in diesem Abschnitt saugt die Kammer Gas aus dem Gefäß an. Sinkt sie auf der anderen Seite wieder ein, steigt die Flüssigkeit in ihr, dieser Teil schrumpft, und in diesem Abschnitt wird das Gas ins Gehäuse gedrückt.

Geschichte und Entwicklung

In einer Sprengel-Pumpe tragen Quecksilbertropfen, die durch ein Rohr fallen, das Gas fort; vor den rotierenden Pumpen war sie die Pumpe der Lampenhersteller.

1722 beschrieb Emanuel Swedenborg eine Pumpe, bei der eine gehobene und gesenkte Quecksilbersäule den festen Kolben einer mechanischen Luftpumpe ersetzte. 1855 baute Heinrich Geißler in Bonn eine Pumpe aus zwei durch einen Gummischlauch verbundenen Glasgefäßen; 1858 erstmals beschrieben, übertraf sie alle früheren Quecksilberpumpen an Einfachheit und Leistung. 1865 stellte Hermann Sprengel eine Pumpe vor, bei der Quecksilbertropfen, die durch ein enges Glasrohr fielen, jeweils etwas Gas einschlossen und mitnahmen. 1879 kombinierte Edisons Labor in Menlo Park Geißler- und Sprengel-Pumpen, um seine Lampenkolben leer zu pumpen, und maß den Druck mit einem McLeod-Manometer.

Diese Pumpen waren langsam und wurden von Hand bedient. 1893 beschrieb F. Schulze-Berge in Wiedemanns Annalen eine rotierende Quecksilberpumpe, über die Nature im November berichtete: Ein ringförmiges, teilweise mit Quecksilber gefülltes Rohr drehte sich in einer schrägen Ebene, und das Quecksilber saugte als Kolben Gas aus dem Gefäß und drückte es zu einer Hilfspumpe. Sie ließ sich maschinell antreiben, und er baute eine größere für die Industrie. Wolfgang Gaede, Assistent an der Universität Freiburg im Breisgau, untersuchte den Voltaeffekt im Vakuum und stellte fest, dass die Pumpen seiner Zeit keinen ausreichend niedrigen Druck erreichten. 1905 stellte er auf der Versammlung Deutscher Naturforscher und Ärzte in Meran seine rotierende Quecksilberluftpumpe vor und erregte großes Aufsehen. Der Historiker Franz Wolf schrieb, sie habe wie Gaedes Ölkapselpumpe nur bekannte Prinzipien der Kolbenluftpumpe verbessert. Die Pumpe ließ sich mit einem Motor antreiben und wurde in großer Zahl für die Lampen- und Röhrenindustrie gebaut.

Ab 1906 arbeitete Gaede mit der Kölner Firma E. Leybold’s Nachfolger zusammen. Seine rotierende Ölpumpe von 1907 diente vor allem als Vorpumpe für die Quecksilberpumpe. Danach brachte er 1912 die Molekularpumpe heraus, die Gasmoleküle an einem schnell drehenden Zylinder mitreißt, und die Quecksilberdiffusionspumpe, die keine bewegten Teile hat. Beide erreichten weit niedrigere Drücke als die rotierende Quecksilberpumpe.