Недавно учёные придумали, как добывать воду на Луне, если у человечества когда-нибудь появится там база, — достаточно разогреть лунную пыль в обычной микроволновой печи, и она выделит влагу. Что ещё умеет микроволновка, как она устроена и не вредны ли микроволны для здоровья человека, рассказал кандидат физико-математических наук Южного федерального университета.
Как изобрели микроволновку?
Доцент кафедры прикладной электродинамики и компьютерного моделирования Физического факультета ЮФУ Анатолий Клещенков рассказал, что настоящую популярность СВЧ-печи приобрели только в конце XX века — после изобретения компактного и мощного генерирующего прибора — магнетрона. Именно для волн сантиметрового диапазона этот прибор оказался оптимален по габаритам, мощности, эффективности и относительной дешевизне его массового производства.
«Изначально же использование высокочастотных радиоволн для нагрева веществ стало возможным благодаря разработке ламповых радиопередатчиков примерно в начале XX века. Применение коротких волн для нагревания тканей открыло, например, медицинскую терапию диатермией», — поделился Анатолий Клещенков.
Приготовление пищи с помощью нагрева микроволновым излучением было описано в фантастической повести советского писателя Владимира Владко «Чудесный генератор», опубликованной в журнале «Знание» в 1934 году. Фантастика почти мгновенно воплотилась в реальность — русский инженер Илья Муромцев, который, который работал в Westinghouse Electric, обнаружил эффект нагревания объектов между двумя пластинами, подключенными к коротковолновому передатчику мощностью 10 кВт, 60 МГц.
«Но это были не микроволны. Нужную длину волны и частоту 2.4 ГГц генерирует именно магнетрон, который тогда использовался только в радиотехнике. Способность сверхвысокочастотного излучения к нагреванию продуктов заметил производитель радаров для американских военных инженер Перси Спенсер, он-то и запатентовал микроволновую печь», — рассказал Анатолий Клещенков.
СВЧ-печь «Radarange» была выпущена в 1947 году и была предназначена не для приготовления пищи, а для быстрого размораживания продуктов, и использовалась исключительно военными — в солдатских столовых и столовых военных госпиталей. Её высота была примерно равна человеческому росту, масса 340 кг, мощность — 3 кВт, что примерно в два раза больше мощности современной бытовой СВЧ-печи, стоила эта печь около 3000$.
Wi-Fi-роутер — тоже микроволновка?
Микроволновая печь совершает разогрев водосодержащих веществ благодаря электромагнитному излучению дециметрового диапазона. Дециметровые волны — это волны с частотой от 300 МГц до 3 ГГц.
«Волны этого диапазона распространяется прямолинейно, что позволяет использовать его в задачах радиолокации. Помимо этого, такая волна быстро затухает из-за отражения и рефракции от соизмеримых с длиной волны объектов, а также при прохождении сквозь здания или деревья. Эта особенность важна для сотовой связи и Wi-Fi-сетей с большим количеством устройств, использующих ограниченный диапазон частот», — объяснил Анатолий Клещенков.
Учёный добавил, что несмотря на совпадение частотного диапазона микроволновой печи и устройств для сотовой связи или Wi-Fi-роутера, принцип их работы кардинально разный. Волны дециметрового диапазона в устройстве связи используются как несущая волна — волна, промодулированная определённым осмысленном образом. Приёмник — сотовый телефон или иное устройство — демодулирует эту волну, отделяя несущую волну и осмысленную информацию.
«Камера для разогревания микроволновой печи — СВЧ-резонатор, размеры которого рассчитаны в соответствие с рабочей частотой 2.45 ГГц. После включения магнетрона, в этом резонаторе возникают стоячие волны — переменное электромагнитное поле с чётко выраженными неподвижными областями, в которых амплитуда колебаний максимальна. Чем больше амплитуда в определенной области, тем большую энергию поглощает в данном месте разогреваемый объект. Мощность излучения СВЧ-печи в несколько сотен раз больше, чем мощность передатчика у WI-FI роутера или сотового телефона», — рассказал Анатолий Клещенков.
Опасны ли микроволновки?
Микроволновое излучение разогревает воду, содержащуюся в тканях живых существ, в том числе в организме человека. В зависимости от интенсивности излучения, эффект этого излучения может нанести различный ущерб.
«Нагрев начинает ощущаться при плотности мощности в 20—50 мВт/кв.см. Длительное облучение с плотностью мощности более 100 мВт/кв.см может приводить к появлению тошноты, нарушений памятной деятельности, повышению утомляемости, катаракте. Корпус микроволновой печи не является стопроцентной защитой, однако, он ослабляет излучение достаточно для того, чтобы не нанести вреда», — подчеркнул Анатолий Клещенков.
Анатолий Борисович добавил, что предельной плотностью мощности считается 1 мВт/кв.см. в пяти сантиметрах от микроволновой печи и 0.01 мВт/кв.см в 50 сантиметрах от неё. Печи с большей плотностью мощности не допускаются к использованию. Однако, по словам учёного, старая печь в отсутствие должного обслуживания может превысить эти уровни вследствие износа материалов дверцы, неплотного её закрытия.
Что касается еды в микроволновке — не становится ли она вредной или менее полезной от такого типа нагрева — доцент ЮФУ отмечает, что некоторые вещества могут быть подвержены разрушению, связанному в принципе с тепловыми эффектами. Например, белок от нагревания денатурируется, то есть сворачивается, но то же самое с ним происходит при варке, жарке и при любом другом способе термической обработки.
«Воздействовать на еду каким-то особым образом, например разрушить связи внутри продукта на молекулярном уровне, микроволновка не способна. Энергия химических связей существенно больше энергии, которую может получить молекула воды при разогревании в микроволновой печи», — рассказал Анатолий Клещенков.
Почему тарелка греется быстрее, чем еда в ней?
Объект в СВЧ-печи лучше всего прогревается в местах с максимальной амплитудой колебаний стоячей волны. Эти области неподвижны, и, таким образом, прогреваются только определённые области объекта, погруженного в СВЧ-камеру. Существует наглядный и простой способ обнаружить эти места — разогрев натёртого сыра на неподвижной подставке. Для частичного решения этой проблемы в микроволновой печи размещается вращающаяся подставка.
«Другим фактором является максимальная глубина прогревания водной поверхности, которая составляет 1.3 сантиметра на частоте 2.45 ГГц. Содержание воды в разогреваемом объекте определяет, прогреется ли он полностью или нет. Суп, разогреваемый в микроволновой печи, будет прогреваться только на глубину 1.3 сантиметра, тогда как нижние слои супа будут прогреваться исключительно за счёт теплообмена с верхним слоем и конвекцией. Круассан, разогреваемый в микроволновой печи, прогреется полностью», — добавил Анатолий Клещенков.
Частота работы микроволновой печи — 2.45 ГГц — выбрана не случайно, она влияет на глубину прогревания пищи. Наилучшее поглощение электромагнитных волн водой происходило бы на частоте 20 ГГц. Однако, глубина прогревания поверхностного слоя воды на этой частоте составляет менее чем 1 миллиметр. То есть в этом случае нижние слои супа оставались бы холодными, даже когда на поверхности он уже активно испаряется. При взаимодействии же волн с частотой 2.45 ГГц с водой, коэффициент поглощения воды в 4 раза меньше, чем при падении волн с частотой 20 ГГц, зато глубина прогревания поверхностного слоя воды на этой частоте составляет 1.3 сантиметра, что позволяет нагревать больший участок блюда. Именно поэтому такая частота признана оптимальной.
«Для более равномерного разогрева жидких блюд рекомендуется использовать менее глубокие тарелки — площадь внешнего слоя блюда, прогреваемого микроволновой печью, увеличится. Не рекомендуется использовать посуду с позолотой и иными металлическими украшениями — в отличие от молекул воды, металлические поверхности не поглощают микроволновое излучение. Наличие металлизации на предметах внутри камеры печи может приводить к искрению и возникновению СВЧ разряда, особенно если нет поглощающего тела», — подытожил Анатолий Клещенков.
Доцент Южного федерального университета добавил, что микроволновое излучение используется также для ускорения химических реакций окисления, и для ускоренной сушки веществ, ускоренного растворения, ускоренного разрушения силикатной матрицы, и так далее. Выполнение таких операций обычным термическим способом может занять от 8 до 16 часов, тогда как использование микроволнового излучения позволяет добиться нужного результата менее чем за один час.