Gebruik van microgolven

Gebruik van microgolven

Elektromagnetische golf of straling

Een golf is een trilling die zich voortplant in de ruimte. Elektrische wisselstroom produceert een elektrisch wisselveld en een magnetisch wisselveld : de opeenvolging van de " heen-weer " cycli vormt de golf. De golf van het elektrisch veld en de golf van het magnetisch veld planten zich loodrecht op elkaar en op de voortplantingsrichting voort. Bij zeer lage frequenties worden het elektrisch veld en het magnetisch veld afzonderlijk beschouwd. Bij hoge frequenties zijn het elektrisch veld en het magnetisch veld onsplitsbaar en worden ze in hun geheel als "elektromagnetische golf" of "elektromagnetische velden" aangeduid.

Elke elektromagnetische golf wordt gekenmerkt door twee parameters : zijn frequentie en zijn golflengte. Een microgolf is elektromagnetische straling met een golflengte langer dan die van infrarood licht en korter dan die van radiogolven. Microgolven hebben golflengte van 30 cm (bij een frequentie van 1 GHz) tot 1 mm (bij een frequentie van 300 GHz). De grenzen tussen diep infrarood licht, microgolven, en radiogolven zijn echter niet duidelijk gedefinieerd.

Het bestaan van elektromagnetische golven, waarvan microgolven een deel uitmaken, werd door James Maxwell in 1864 voorspeld door toepassing van de Wetten van Maxwell. In 1888 was Heinrich Hertz de eerste die het bestaan van elektromagnetische golven demonstreerde door het bouwen van een apparaat dat radiogolven produceerde. Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische oscillaties trillingen). Licht is een vorm van elektromagnetische straling. Alle soorten elektromagnetische straling hebben in het vacuüm een snelheid gelijk aan de lichtsnelheid.

Het spectrum van een golfverschijnsel is een beschrijving van de in het signaal voorkomende golflengtes en hun sterkte. Meestal wordt een spectrum weergegeven als een grafiek waarin op de verticale as de amplitude wordt uitgezet tegen de frequentie op de horizontale as. Een spectrogram laat in een 3-dimensionaal plaatje het verloop van het spectrum zien in de tijd. Voor geluidsgolven spreekt men over een geluidsspectrum. Het geluidsspectrum vertelt bijvoorbeeld of er veel lage dan wel veel hoge tonen in een geluid voorkomen.

Voor zichtbaar licht geeft het spectrum aan welke kleuren er in het licht voorkomen. Zichtbaar licht zelf is een klein gedeelte uit het hele spectrum van typen van elektromagnetische straling, van gammastraling tot radiogolven; het zogenaamde elektromagnetische spectrum.

Een spectrum kan een "continu spectrum" zijn, dat wil zeggen dat alle golflengtes in een bepaald gebied voorkomen (bijvoorbeeld een gloeilamp heeft een continu spectrum waarin alle golflengtes van (infra-)rood tot violet in meer of mindere mate voorkomen). Alternatief is een lijnenspectrum: een spectrum waarin enkele golflengtes een dominante rol spelen (het spectrum van een natriumlamp, de karakteristieke oranje straatverlichting, is een lijnenspectrum, net zoals het spectrum van een TL-buis. Lijnenspectra van verschillende typen straling spelen een grote rol in de elementenanalyse.

Niet-ioniserende straling is een verzamelnaam voor een aantal soorten straling, die in lage doseringen en zonder langdurige blootstelling niet schadelijk zijn. Niet-ioniserende straling kan zelfs bij zeer hoge intensiteitniveaus geen ionisatie in biologische systemen (lichaamscellen) veroorzaken. Dit is het grote verschil met ioniserende straling. Effecten kunnen echter wel ontstaan: opwarming of het veroorzaken van elektrische stromen in weefsels en cellen. Niet-ioniserende straling is elektromagnetische energie, die zich als een golffunctie door de ruimte beweegt. Er is een elektrische en een magnetische component. Beiden variëren zodanig in de tijd dat energie getransporteerd wordt. Aan deze golfbeschrijving kan een deeltjesbeschrijving toegevoegd worden, daar men experimenteel heeft vastgesteld dat elektromagnetische energie zich nu eens als golf, dan weer als deeltje, foton genaamd, gedraagt. De energie van een foton is een functie van de golflengte (wet van Planck). De golf daarentegen wordt beschreven in functie van de frequentie in Hertz. Golflengte en frequentie zijn met elkaar verbonden, daar het product van beiden gelijk is aan de snelheid van het licht.

Elke elektromagnetische straling kan dus beschreven worden door:

• Dichtheid van vermogen of energie (in W/m² of J/m²)
• De frequentie (in Hz) of de golflengte (in m).

Het verschil tussen ioniserende elektromagnetische straling (gamma- en X-stralen) en niet ioniserende straling is enkel gelegen in de energie-inhoud van hun foton. Om te kunnen ioniseren is een minimale energie (enkele elektronvolt - eV) nodig. Gamma- en X-stralen hebben een hogere energie (grootteorde keV en MeV), en kunnen dus ioniseren. Alhoewel ze voldoende energie (grootteorde enkele eV) hebben om te kunnen ioniseren worden de ultrakorte ultraviolette stralen (UV-C) toch als niet-ioniserende stralen beschouwd. Daar de meeste niet-ioniserende stralen niet diep doordringen in weefsel, zijn de voornaamste doelorganen de huid en het oog. Radiofrequente golven kunnen dieper doordringen.

Volgende indeling van de niet-ioniserende straling wordt gebruikt:

Laserstraling behoort ook tot de ultraviolette, zichtbare of infrarode straling. Door haar speciale eigenschappen echter worden ze als een aparte categorie beschouwd.

Thermisch effect

Als niet-ioniserende straling in weefsel wordt geabsorbeerd, veroorzaakt dit een lokale verwarming of een fotochemische reactie. Is de geabsorbeerde energie voldoende hoog, dan kan dit leiden tot degeneratie van de eiwitketens (proteïnecoagulatie). Bij nog hogere energie kan dit leiden tot celdood en volgen er biologische reacties. Normaler wijze treedt na de beschadiging het herstelmechanisme van het lichaam in werking, doch dit kan soms onvoldoende of niet op tijd gebeuren, zodat definitieve schade ontstaat. Dit is onder andere het geval voor het hoornvlies van het oog.

Het thermisch effect veroorzaakt in het menselijk lichaam een, eventueel plaatselijke, stijging van de temperatuur. Dit wordt waargenomen door de thermosensoren en het koelmechanisme van het lichaam treedt in werking. De getroffen plek ontvangt meer bloed, dat de warmte afvoert. Slecht doorbloedde organen, zoals het oog, zijn daarom meer gevoelig. Ook kan een tweede mechanisme in werking treden, vooral bij verwarming van de huid: er wordt meer zweet verdampt. Dit is een effectief koelmechanisme daar er 2425 kJ nodig zijn om 1 liter zweet te verdampen.

Is het koelmechanisme niet effectief genoeg, dan ontstaat schade. Voor de huid bestaat dit, in klimmende ernstgraad, uit: rood worden, ontsteking, blaasvorming, brandwonden van diverse graden. Het thermisch effect kan voor de ogen volgende gevolgen hebben, afhankelijk van de soort straling en het doordringingvermogen ervan:

Bronnen van radiogolven

De belangrijkste bronnen zijn de meest bekende. Ze spelen een grote rol in de telecommunicatie: radio- en televisiezenders. Een vermogen van 1 MW is niet ongewoon voor een AM-zender. Gevaarlijker zijn horizontaal gerichte FM-zenders. Veel van deze zenders staan echter op torens of dergelijke, zodat voor de omwonenden reeds de afstandsregel speelt. Draagbare telefoons en walkietalkies zenden ook radiofrequente golven uit. Radarstralen worden gebruikt voor opsporing en detectie. In de fysische geneeskunde worden microgolven gebruikt in de diathermie. Goed gekende 2450 MHz microgolftoepassingen zijn de huishoudelijke microgolfovens en industriële drogers. Ze worden ook gebruikt om metalen in inductieoven te smelten en te ontgassen

Gevaren

Blootstelling aan hogere doseringen of concentraties kunnen dus wel gevaarlijk zijn voor de mens, zoals radiofrequente straling van seal-machines en zendapparatuur, infrarode straling van lasbogen, hete voorwerpen en lasers (bijvoorbeeld de laserpen !) en UV-straling van lasprocessen, en sterilisatielampen. Over effecten als vermoeidheid, slaperigheid en carcinogeniteit is weinig bekend.

UV-straling (frequentie tussen 750x1012 en 3000x1012Hz):

De belangrijkste organen die door UV worden "aangedaan" zijn de huid en de ogen. UV-A straling dringt het diepste door en is daarmee het gevaarlijkste. Acute effecten zijn verbranding van de huid ("zonnebrand") en hoorn- en bindvliesontsteking ("lasogen"). Op de lange termijn kunnen huidkanker en staar (vertroebeling van de ooglens) het gevolg zijn.

UV-licht met een golflengte kleiner dan 240 nm kan zuurstof omzetten in ozon. Ozon is een zeer schadelijke stof (MAC-waarde is 0,06 ppm tgg 1 uur).

Zichtbaar licht (frequentie tussen 385x1012 en 750x1012Hz) en infrarood (frequentie tussen 3x1011 en 385x1012Hz)

De schade die in het zichtbare deel van het spectrum kan optreden is beperkt. Ogen hebben een eigen beschermingsmechanisme ("dichtknijpen van ogen"). Alleen bij een teveel aan zichtbaar licht kan schade aan de ogen ontstaan. De kans op schade aan het netvlies is het grootste bij een golflengte tussen de 400 en 500 nm (“blue light hazard”).

Infrarood wordt opgedeeld in drie frequentiegebieden: IR-A, IR-B en IR-C. Infraroodstraling met een kleine golflengte (IR-A) kan tot diep in de huid en de ogen doordringen en voor thermische (warmte) schade zorgen van de netvliezen. Bij chronische blootstelling van de ogen kan staar ontstaan. Golflengtes die horen bij IR-B en IR-C kunnen niet verder doordringen dan de hoornvliezen en veroorzaken minder schade. De huid kan door overmatige blootstelling aan infrarood verbranden.

De normering voor dit deel van het spectrum is zeer ingewikkeld omdat de gevoeligheid van het lichaam sterk afhankelijk is van de uitgezonden golflengte. Bovendien zijn de verschillende lichaamsdelen niet allemaal even gevoelig.

Microgolven (frequentie tussen 3x108 en 3x1011Hz) en radiogolven (frequentie tussen 3x105 en 3x108 Hz)

Microgolven veroorzaken een stijging van de temperatuur van het blootgestelde weefsel. De meest gevoelige organen in deze zijn de ogen, de huid en de testikels. Duidelijke bewijzen voor bijkomende (subjectieve) klachten als hoofdpijn, geïrriteerdheid en slaperigheid zijn er niet, maar worden wel vaak genoemd in de literatuur.

De effecten van radiogolven zijn grotendeels te vergelijken met de effecten van microgolven. Het aanraken van een voorwerp dat zich bevindt in een gebied met sterke radiofrequente straling kan zelfs brandwonden veroorzaken. Aan radiogolven worden veel subjectieve klachten toegeschreven: hoofdpijn, slaapstoornissen, vermoeidheid, algemene zwakte e.d..

Bij het vaststellen van de limieten wordt gekeken naar de niveaus van stroomdichtheid (in mA/m2) en de opname capaciteit daarvan in het lichaam. Deze variabele wordt de Specific Absorption Rate genoemd (de “SAR”). Echter de SAR en de geïnduceerde stroom in de mens is niet meetbaar. Als blootstellinglimieten zijn daarom afgeleide grootheden vastgesteld die wel meetbaar zijn: de sterkte van het elektrische- en het magnetische veld.

De microgolfoven

Het idee om microgolven te gebruiken om voedsel te verwarmen is ontdekt door Percy Spencer die in dienst was bij Raytheon en magnetrons bouwde voor radar. Op een dag merkte hij dat een chocoladereep die hij in zijn zak had zitten was gesmolten. Percy had al vele uitvindingen gedaan en had 120 octrooien op zijn naam staan. Hij begreep onmiddellijk wat er gebeurde. Het eerste voedsel dat vervolgens met behulp van microgolven bereid werd was popcorn. Het tweede was een ei, dat echter in het gezicht van een van de proefnemers explodeerde. In 1946 vroeg Raytheon patent aan op het koken met microgolven en in 1947 bouwden zij de eerste commerciële magnetronoven, de Radarange. Het apparaat was bijna 1.8 meter hoog en woog 340 kilogram. Met waterkoeling kon het 3000 Watt leveren, ongeveer 3× zoveel als de tegenwoordige magnetrons leveren.

Werking van de microgolfoven

Een magnetron (zoals hij in Nederland wordt genoemd) werkt door microgolfstraling, meestal bij een frequentie van 2,45 GHz door het voedsel heen te leiden. Water dat in het voedsel aanwezig is absorbeert de straling, zodat het omgezet wordt in warmte. Elk watermolecuul is een elektrische dipool wat wil zeggen dat het ene uiteinde een positieve lading bezit en het andere uiteinde een negatieve lading. Door de elektromagnetische straling wordt het molecuul heen en weer gedraaid, waarbij het zich gelijk richt aan het wisselende elektrisch veld. Deze beweging veroorzaakt de warmte. Sommigen menen dat er resonantie van de watermoleculen optreed, maar deze resonantie treedt bij veel hogere frequenties op.

Naast water zijn ook de vetmoleculen in het voedsel effectief voor het omzetten van de stralingsenergie in warmte.

De ovenruimte waarin het voedsel bereid wordt moet een kooi van Faraday zijn om ervoor te zorgen dat de straling niet naar de omgeving ontsnapt. Daarom is de glazen deur van de magnetron voorzien van een geleidend metaalrooster om de afscherming door de deur te realiseren. De microgolfstraling, met een golflengte van ongeveer 12 cm kan niet door dat rooster passeren, maar licht, ook een vorm van elektromagnetische straling maar met veel kortere golflengtes, kan dat wel.

Risico's van de microgolfoven

De risico's bij gebruik van een magnetron zijn niet groot, maar door het te kort en te ongelijkmatig verhitten van eerder bereide kliekjes bestaat de kans dat niet alle bacteriën gedood worden, met een kans op voedselvergiftiging.

Metalen onderdelen horen niet in de magnetron thuis. Omdat deze de straling weerkaatsen bereikt minder straling het voedsel. Bovendien kan het stralingselement oververhit raken als het te veel gereflecteerde straling terug ontvangt. Ook kunnen rond het metalen voorwerp vonken optreden, en metaaldampen ontstaan die op het eten neerslaan. Er zijn speciale metalen verpakkingen die wél geschikt zijn voor in de magnetron, deze hebben geen scherpe uiteinden.

In geen geval mag men een magnetron manipuleren. De microgolven die zouden ontsnappen als de kooi van Faraday onverhoopt lek zou raken zouden zeer gevaarlijk kunnen zijn.

Er wordt ook gezegd dat mensen met een pacemaker niet bij een magnetron in de buurt moeten komen omdat het apparaatje van slag zou kunnen raken.

Er bestaat een kans op "oververhit water". Dat is water van 100°C of meer, wat echter nog steeds een vloeistof is. Normaal gesproken gaat water borrelen als het kookt, omdat de waterdamp zo kan ontsnappen. De aanzet daarvoor wordt vaak gedaan door kalk en mineralen in het water, of door oneffenheden van het voorwerp waar het water in zit, bijvoorbeeld een beker (of een glas, etc.). Bij gedestilleerd water, of water met weinig mineralen komt dat proces soms niet op gang. Pas als er een voorwerp, zoals wat suiker of een theelepeltje in aanraking komt met het water, zal het opeens gaan borrelen en zelfs uit de beker spatten

Microgolven in de bakkerij

Het gebruik van de microgolfoven is in de laatste 10 jaar enorm toegenomen. Men vindt hem zowat overal, thuis, in wegrestaurants, op het werk enz. In de Verenigde Staten heeft 80 % van de huisgezinnen een microgolfoven. De eerste bakkerij producten die op de markt verschenen om in de microgolf opgewarmd te worden waren pizza's en pannenkoeken alhoewel men nauwelijks kon spreken van een kwalitatief hoogstaand product.

De doorsnee consument was bereid een product van mindere kwaliteit te aanvaarden. Wat hem vooral interesseerde was de snelheid waarmee zijn product opgewarmd werd. De introductie van "susceptors" heeft de kwaliteit van microgolf producten merkelijk doen toenemen. Susceptors worden in principe gemaakt van een materiaal dat de microgolf energie kan absorberen en het kan omzetten naar stralingsenergie, zoals in een conventionele oven.

Het aantal bakkerij producten dat men in de microgolf kan bakken of opwarmen zijn sinds 1995 spectaculair gestegen. Popcorn is natuurlijk geen bakkerij product maar het is toch goed eens na te gaan hoe men er in geslaagd is om popcorn in een microgolf te maken die zich niet meer onderscheidt van popcorn die op de traditionele manier bereid is. In het begin zat de popcorn in een gewone papieren zak. Dan ontdekte iemand dat door gebruik te maken van een speciale susceptor dat de verhouding tussen gepofte en niet gepofte maïs korrels merkelijk verbeterde in het voordeel van de gepofte korrels. De susceptor die men gebruikt had was gemaakt van gemetalliseerde polyester. Wanneer de microgolf energie in contact komt met de susceptor kan men de papieren zak vergelijken met een gesloten pan waardoor de olie verwarmd wordt waardoor de popcorn poft. Popcorn die men in de microgolf kan klaarmaken kent, ook vandaag nog, een exponentiële groei. Je moet maar eens op de rekken kijken van de supermarkt. Waar men 5 jaar geleden dit product in de supermarkten nauwelijks kon vinden, is het nu alom tegenwoordig.

De grootste uitdaging voor mensen die producten wensen te ontwikkelen die geschikt zijn voor de microgolf, is er voor te zorgen dat de textuur van het product overeenstemt met de textuur van het product dat in een traditionele oven gebakken wordt. Dit kan betekenen een pizza met een krokante korst of het malse smeuïge van een cake of muffin. Maar iedereen weet dat als men een croissant in de microgolf oven legt, dat iets oneetbaars uit die microgolf oven komt.

Anderzijds heb ik onlangs in Duitsland een "Dampfknödel" gegeten die met in de microgolf gegaard was die excellent was. Hij was gevuld met pruimenconfituur bestrooid met suiker en kaneel en overgoten met een vanille sausje. Natuurlijk hebben "Dampfknödel" geen bruine korst. Maar we moeten ook durven vaststellen dat de doorsnee consument langzaam maar zeker weg evolueert van harde dikke krokante korsten.

Een ander veel voorkomend probleem bij producten die in de microgolf bereid worden dat er droge harde zones ontstaan in het product. De vraag is dus hoe we kunnen vermijden dat bepaalde delen van het product uitdrogen (in het Engels noemt men die zones "hot spots"). Het meest voor de hand liggende antwoord is er voor te zorgen dat het vochtgehalte in het product "hoog" is en dat het vocht in het product perfect gelijkmatig verdeeld is. Dit kan men bekomen door grondstoffen toe te voegen die voor deze gelijkmatige verdeling zorgen. Op die manier kan men bijvoorbeeld perfect cakes maar ook brownies bakken in een microgolf oven

Producten die men echt kan bakken in een microgolf oven

Men kan inderdaad cakes en brownies perfect bakken in een microgolf oven, dit in tegenstelling tot de meeste andere bakkerij producten. Wat men ook perfect kan bakken in een microgolf oven zijn die producten die men normaal gaat klaar maken door het stomen van deeg zoals de hierboven al genoemde "Dampfknödel" maar ook bijvoorbeeld bapao en gelijkaardige producten die men vooral in het Verre Oosten vindt.

Cakes en brownies hebben het voordeel dat ze enorm veel vocht en olie bevatten. Natuurlijk moet men deze dan bakken in speciaal ontworpen bakvormen want metaal en microgolven zijn twee dingen die niet te samen gaan. Dit soort bakvormen gaan de microgolven sturen zodanig dat de energieverdeling over het product gelijkmatig verloopt.

Ook gaan specifieke ingrediënten in de brownie, zoals mono- en diglyceriden, maïsstroop, maïszetmeel en xanthaan gom, helpen om de geabsorbeerde energie gelijkmatig te verdelen over het beslag. Voor cakes gebruikt men beter poeder cellulose, propyleen glycol en/of gemodificeerd maïszetmeel.

Producten die men kan ontdooien of opwarmen in een microgolf oven

In het geval en krokante producten zoals pizza of pizzabaguette, gaat men gebruik moeten maken van susceptors om de gewenste krokantheid te bekomen. De susceptors gaan de energie naar de pizzabodem en de randen van de pizza leiden zodanig dat er daar een "oververhitting" ontstaat waar door het product krokant wordt. De susceptor kan zeer warm worden waardoor deeltjes van de korst praktisch als verbrand uit de microgolf oven zal komen.

Een tweede categorie producten die zich lenen om in de microgolf opgewarmd te worden zijn zachte broodjes zoals hamburger broodjes. Ook in deze categorie zijn er reeds verschillende producten te verkrijgen en naast de klassieke hamburger vindt men in de diepvrieskasten van de supermarkten ook burgers met vis en kip of hot dogs.

Het grootste probleem bij deze producten is dat er "hot spots" ontstaan tijdens het opwarmen. Men krijgt dan droge harde en taaie zones in de kruim die niet zo lekker zijn. Heel wat onderzoek in dit verband is gebeurd aan de Universiteit van Mersin in Turkije en aan de Cornell University in Ithaca (USA) maar daarover verder meer. Deze taaie zones ontstaan omdat, door onevenwichten in de kruim de energie zich concentreert in die zones. Dit heeft ook iets te maken met het verschil waarmee de warmte zich verspreidt in de verschillende componenten van het product. In het broodje gaat de warmte verspreiding vrij snel maar in het vlees gaat dat niet zo vlug. Het gevolg is dat men het broodje eigenlijk veel te lang in de microgolf moet steken opdat ook het vlees terdege zou opgewarmd zijn. De hot spots zijn ook gelinkt aan het diepvries gebeuren. Tijdens het diepvriezen treedt er watermigratie op waardoor het vochtgehalte in bepaalde delen van het broodje hoger is dan in andere delen. In de zones waar er zich meer water bevindt gaat het ontdooien sneller gaan en uiteraard ook het opwarmen. En dit leidt dan tot "hot spots". Men kan om deze problemen op te lossen of toch gedeeltelijk op te lossen, meer vet en/of meer vezel toevoegen. Een hamburger broodje gemaakt van bruine bloem gaat inderdaad meer de neiging hebben om hot spots te ontwikkelen dat een wit broodje.

Tot slot kan men zeggen dat men aan drie zaken moet denken wanneer men producten ontwikkelt die geschikt moeten zijn om in de microgolf gebakken of opgewarmd te worden :

• Receptuur : gebruik ingrediënten die het vocht zoveel mogelijk zullen vasthouden en het zoveel mogelijk zullen gelijkmatig verdelen over de ganse kruim.
• Gebruik susceptors die de energie gelijkmatig zullen verdelen maar er ook zullen voor zorgen dat een gedeelte van de energie omgezet wordt in stralingsenergie zodanig dat het product een krokante korstje kan krijgen.
• Tracht de opwarmtijd in de microgolf zo kort mogelijk te houden door brood en vulling op elkaar af te stemmen voor wat betreft de snelheid van opwarmen.