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Was Zentrifugation ist und warum sie verwendet wird

Der Begriff Zentrifuge kann sich auf eine Maschine beziehen, die einen schnell rotierenden Behälter enthält, um seinen Inhalt nach Dichte (Substantiv) zu trennen, oder auf den Vorgang der Verwendung der Maschine (Verb). Zentrifugen werden am häufigsten verwendet, um verschiedene Flüssigkeiten und feste Partikel von Flüssigkeiten zu trennen, sie können jedoch auch für Gase verwendet werden. Sie werden auch für andere Zwecke als die mechanische Trennung verwendet.

Erfindung und Frühgeschichte der Zentrifuge

Die moderne Zentrifuge geht auf einen Spinnarmapparat zurück, der im 18. Jahrhundert vom englischen Militäringenieur Benjamin Robins zur Bestimmung des Luftwiderstands entwickelt wurde. 1864 wandte Antonin Prandtl die Technik an, um die Bestandteile von Milch und Sahne zu trennen. 1875 verfeinerte Prandtls Bruder Alexender die Technik und erfand eine Maschine zur Gewinnung von Butterfett. Während Zentrifugen immer noch zur Trennung von Milchbestandteilen verwendet werden, hat sich ihre Verwendung auf viele andere Bereiche der Wissenschaft und Medizin ausgeweitet.

Wie eine Zentrifuge funktioniert

Eine Zentrifuge hat ihren Namen von der Zentrifugalkraft – der virtuellen Kraft, die sich drehende Objekte nach außen zieht. Die zentripetale Kraft ist die reale physische Kraft bei der Arbeit, die sich drehende Objekte nach innen zieht. Das Drehen eines Eimers Wasser ist ein gutes Beispiel für diese Kräfte bei der Arbeit.

Wenn sich der Eimer schnell genug dreht, wird das Wasser nach innen gezogen und läuft nicht aus. Wenn der Eimer mit einer Mischung aus Sand und Wasser gefüllt ist, führt das Drehen zu einer Zentrifugation . Nach dem Sedimentationsprinzip werden sowohl das Wasser als auch der Sand im Eimer zum äußeren Rand des Eimers gezogen, aber die dichten Sandpartikel setzen sich am Boden ab, während die leichteren Wassermoleküle zur Mitte hin verschoben werden.

Die zentripetale Beschleunigung simuliert im Wesentlichen eine höhere Schwerkraft. Es ist jedoch wichtig zu berücksichtigen, dass die künstliche Schwerkraft ein Wertebereich ist, abhängig davon, wie nahe ein Objekt an der Rotationsachse liegt, und kein konstanter Wert. Der Effekt ist umso größer, je weiter ein Objekt entfernt ist, da es mit jeder Umdrehung eine größere Strecke zurücklegt.

Arten und Verwendungen von Zentrifugen

Die Zentrifugentypen basieren alle auf der gleichen Technik, unterscheiden sich jedoch in ihren Anwendungen. Die Hauptunterschiede zwischen ihnen sind die Drehzahl und die Rotorkonstruktion . Der Rotor ist die rotierende Einheit im Gerät. Rotoren mit festem Winkel halten Proben in einem konstanten Winkel, Rotoren mit schwingendem Kopf haben ein Scharnier, mit dem Probengefäße mit zunehmender Schleudergeschwindigkeit nach außen schwingen können, und kontinuierliche Rohrzentrifugen haben eine einzelne Kammer anstelle einzelner Probenkammern.

Trennung von Molekülen und Isotopen: Extrem schnelle Zentrifugen und Ultrazentrifugen drehen sich mit so hohen Geschwindigkeiten, dass sie zur Trennung von Molekülen unterschiedlicher Masse oder sogar von Isotopen von Atomen verwendet werden können. Die Isotopentrennung wird für wissenschaftliche Forschung und zur Herstellung von Kernbrennstoffen und Atomwaffen verwendet. Zum Beispiel kann eine Gaszentrifuge verwendet werden, um Uran anzureichern , da das schwerere Isotop mehr nach außen gezogen wird als das leichtere.

Im Labor: Laborzentrifugen drehen sich ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit. Sie können groß genug sein, um auf einem Boden zu stehen, oder klein genug, um auf einer Theke zu ruhen. Ein typisches Gerät hat einen Rotor mit abgewinkelten Bohrlöchern zur Aufnahme von Probenröhrchen. Da die Probenröhrchen in einem Winkel fixiert sind und die Zentrifugalkraft in der horizontalen Ebene wirkt, bewegen sich die Partikel eine winzige Strecke, bevor sie auf die Wand des Röhrchens treffen, sodass dichtes Material nach unten rutschen kann. Während viele Laborzentrifugen Rotoren mit festem Winkel haben, sind auch Rotoren mit schwingendem Eimer üblich. Solche Maschinen werden verwendet, um Komponenten von nicht mischbaren Flüssigkeiten und Suspensionen zu isolieren  . Verwendungen umfassen das Trennen von Blutbestandteilen, das Isolieren von DNA und das Reinigen chemischer Proben.

Hochgravitationssimulation: Große Zentrifugen können verwendet werden, um Hochgravitation zu simulieren. Die Maschinen haben die Größe eines Raumes oder Gebäudes. Menschliche Zentrifugen werden verwendet, um Testpiloten auszubilden und schwerkraftbezogene wissenschaftliche Forschung zu betreiben. Zentrifugen können auch als Fahrgeschäfte für Vergnügungsparks verwendet werden. Während menschliche Zentrifugen für eine Schwerkraft von bis zu 10 oder 12 ausgelegt sind, können nichtmenschliche Maschinen mit großem Durchmesser Proben einer bis zu 20-fachen normalen Schwerkraft aussetzen. Das gleiche Prinzip kann eines Tages verwendet werden, um die Schwerkraft im Weltraum zu simulieren. 

Industriezentrifugen werden verwendet, um Bestandteile von Kolloiden (wie Sahne und Butter von Milch) zu trennen, bei der chemischen Zubereitung, bei der Reinigung von Feststoffen von Bohrflüssigkeit, beim Trocknen von Materialien und bei der Wasseraufbereitung, um Schlamm zu entfernen. Einige Industriezentrifugen sind zur Trennung auf Sedimentation angewiesen, während andere die Materie mithilfe eines Siebs oder Filters trennen. Industriezentrifugen werden zum Gießen von Metallen und zur Herstellung von Chemikalien verwendet. Die unterschiedliche Schwerkraft beeinflusst die Phasenzusammensetzung und andere Eigenschaften der Materialien.

Alltagsanwendungen: Mittelgroße Zentrifugen sind im täglichen Leben üblich, hauptsächlich um Flüssigkeiten schnell von Feststoffen zu trennen. Waschmaschinen verwenden eine Zentrifugation während des Schleuderzyklus, um Wasser von der Wäsche zu trennen. Ein ähnliches Gerät spinnt das Wasser aus Badeanzügen. Ein weiteres Beispiel für eine einfache Zentrifuge sind Salatschleuder, die zum Waschen und anschließenden Schleudern von trockenem Salat und anderen Grüns verwendet werden.

Verwandte Techniken

Während die Zentrifugation die beste Option zur Simulation einer hohen Schwerkraft ist, gibt es andere Techniken, die zum Trennen von Materialien verwendet werden können. Dazu gehören Filtration. Sieben, Destillation, Dekantieren und Chromatographie. Die beste Technik für eine Anwendung hängt von den Eigenschaften der verwendeten Probe und ihrem Volumen ab.

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