Toasten statt TV-Signale: Tuning einer Yagi-Uda-Antenne zur Erwärmung von Muffins

Für manchen Feinschmecker gibt es nichts Schöneres als den Duft von frisch gebackenen Muffins. Ob mit Schokolade, Blaubeeren oder Kürbis, die süßen Minikuchen sind besonders lecker, wenn sie warm sind. Hungrig und neugierig haben wir beschlossen, zu versuchen, die Muffins mit einem unkonventionellen Gerät zu erwärmen: einer Yagi-Uda-Antenne. Mithilfe der Multiphysik-Modellierung wollen wir herausfinden, ob es möglich ist, für diese leckere Anwendung eine Antenne zu nutzen – oder ob wir unsere Muffins kalt essen müssen.

Speziellen Erwärmungsmethoden

Seit Menschengedenken wird herumexperimentiert, wie Lebensmittel am besten erhitzt werden können. Wer noch auf der Suche nach der idealen Methode ist, sollte sich den selbstgebauten Solarofen für S’mores ansehen. Bei diesem Experiment wird ein Karton mit Alufolie und Plastikfolie beklebt und ins Sonnenlicht gestellt. Der Karton fungiert dann als Solarofen, in dem die Snacks langsam knusprig gebacken werden. Diesen kreativen Gedanken wollen wir weiterführen, um unsere Muffins auf völlig unkonventionelle Weise zu erhitzen.

Antennen übertragen digitale oder analoge Signale, zum Beispiel in mobilen Geräten oder Flugzeugen. Bei diesen Anwendungen werden durch die Bewegung elektrischer Ladungen in der Antenne elektromagnetische Wellen erzeugt, die harmlos sind und keine nennenswerte Erwärmung bewirken. Bei bestimmten Frequenzen sind Antennen jedoch in der Lage, intermolekulare Reibung in Objekten zu erzeugen und sie dadurch zu erhitzen. Bei korrektem Tuning sollte eine Antenne also hypothetisch als Ofenersatz funktionieren.

Ein Turmfalke auf einer Antenne lässt sich ein Schokoladenmuffin schmecken. Wer hätte gedacht, dass diese Vögel Gebäck mögen? Foto von Regine Tholen auf Unsplash. Das Original wurde modifiziert.

Modellierung von Mikrowellen (nicht der Geräte)

Für dieses Modellierungsbeispiel wollen wir keine Rundstrahlantenne verwenden, weil sie eine 360-Grad-Strahlungscharakteristik und einen vergleichsweise geringen Antennengewinn aufweist. Diese Eigenschaften machen diese Art von Antenne weniger sicher und weniger effektiv als ihre gerichteten Gegenstücke. Aus diesem Grund haben wir uns für das Modell einer Yagi-Uda-Antenne entschieden.

Nun bringen Antennen – ob gerichtet oder ungerichtet – beim Kochen Einschränkungen mit sich. Zum Beispiel erzeugen Antennen Wärme nur durch Strahlung. Das ist ein Nachteil gegenüber den herkömmlichen Geräten in Ihrer Küche, die zusätzlich auf Konvektion und Wärmeleitung setzen können. Trotzdem hoffen wir, dass unsere Antenne ein elektrisches Feld mit ausreichender Stärke und Richtwirkung erzeugen würde, um diese Einschränkungen zu überwinden.

Unser Antennenmodell, das wir mit der Software COMSOL Multiphysics® erstellt haben, enthält eine Speisung (bei der Strom über eine Speiseleitung zugeführt wird), einen Reflektor (der sich in der entgegengesetzten Richtung des elektromagnetischen Feldes befindet) und vier Direktoren (die eine Antenne tendenziell leistungsfähiger und gerichteter machen). Wir nutzten auch das RF Module, ein Add-On-Produkt zu COMSOL Multiphysics, das spezielle Funktionen für die Hochfrequenzmodellierung bietet. Mit diesem Modul können Nutzer die Leistung von Strahlungselementen (wie der Antenne in unserem Beispiel) in Bezug auf die Richtwirkung und den Antennengewinn anhand ihres Antennendiagramms leicht charakterisieren.

Eine Yagi-Uda-Antenne in COMSOL Multiphysics® mit 4 Direktoren unten, einer Speisung oben und einem Reflektor ganz oben. Die Komponenten sind an einen Stab aus Polytetrofluorethylen (PTFE) befestigt und jedes Element stellt einen perfekten elektrischen Leiter dar.

Für diese Anwendung der Yagi-Uda-Antenne sollten wir unsere Parameter festlegen. In Anlehnung an die herkömmlichen Mikrowellenherde haben wir unsere Yagi-Uda-Antenne auf 2,45 GHz abgestimmt. Dadurch wird die für die Erwärmung von Lebensmitteln erforderliche intermolekulare Reibung erzeugt. Wir haben uns außerdem dafür entschieden, die Muffins über ein Förderband durch das elektromagnetische Feld der Antenne zu transportieren, um das Risiko einer Überhitzung zu verringern. Schließlich wollen wir die Muffins aufwärmen und nicht verbrennen. Für diese Simulation haben wir zwei Muffins mit den folgenden Eigenschaften modelliert:

• Relative Permittivität = 65-j20
• Elektrische Leitfähigkeit = 0
• Wärmeleitfähigkeit = 0.55 W/(m*K)
• Wärmekapazität bei konstantem Druck = 3640 J/(kg*K)
• Dichte = 1050 kg/m³

In der Simulation führten wir einen parametrischen Sweep durch, um die Bewegung der Muffins zu berücksichtigen, sowie eine zeitabhängige Studie, um die Temperaturänderung über einen Zeitraum von 12 Sekunden zu sehen. Dank der Wärmetransportvariablen der zeitabhängigen Studie zeigt die Simulation das elektromagnetische Feld, das die Antenne erzeugt, und ermöglicht es uns, die Temperaturverteilung in den Muffins zu visualisieren.

Wenn wir diese Simulation zum Leben erwecken würden, würden wir beobachten, wie unser Paar köstlicher Muffins über ein Förderband unter der Antenne hindurch und auf die andere Seite gelangt. Hier ist eine Animation dieses Prozesses:

Die beiden Muffins bewegen sich über 12 Sekunden durch das elektromagnetische Feld.

Nachdem das Modell aufgesetzt und gelöst ist, können wir uns die Ergebnisse ansehen und überprüfen, ob unser Snack gut erhitzt wurde.

Eine effektive aber unkonventionelle Art der Erwärmung

Die Ergebnisse deuten auf ein Paar heiße Muffins hin. Teile jedes Muffins erreichten Temperaturen von über 45 °C, und wie erwartet erzeugten die Bereiche, die der Antenne am nächsten waren, die meiste Wärme. Nachdem die Muffins der elektromagnetischen Energie ausgesetzt waren, lag die durchschnittliche Temperaturschwankung bei beiden Muffins am Ende der vorgegebenen Zeit bei über 40 °C. Beide Muffins wiesen außerdem maximale Temperaturschwankungen von über 110 °C auf. Von den beiden Muffins erreichte der zweite Muffin eine höhere Durchschnitts- und Höchsttemperatur, letztere überstieg 120 °C.

Durchschnittstemperatur der Muffins (links) und Maximaltemperatur der Muffins (rechts). In beiden Plots ist das erste Muffin durch eine blaue und das zweite Muffin durch eine grüne Linie dargestellt.

Die Ergebnisse dieser Simulation zeigen, dass Yagi-Uda-Antennen dazu verwendet werden können, Muffins schnell merklich zu erwärmen. Während die Simulation damit erfolgreich war, werden diese Antennen weder kurzfristig noch langfristig Küchengeräte ersetzen. Stattdessen sollten Sie wahrscheinlich Ihre Yagi-Uda-Antenne auf dem Dach und die Muffins im Ofen belassen.

Zu diesem Beispiel

Mithilfe der Modellierung und Simulation können Sie mit Antennen und den Interaktionen zwischen den Aspekten der zugrundeliegenden Physik experimentieren. Wie in diesem Blog-Beitrag beschrieben können Sie eine Yagi-Uda-Antenne zur Erwärmung nutzen und elektromagnetische Wellen und Wärmetransport in Festkörpern modellieren. Sehen Sie sich die dazugehörige Präsentation in der Application Gallery an, um mehr über dieses Beispiel zu erfahren.

Hungrig auf mehr?

Mehr über den Einsatz der Simulation für die Lebensmittelverarbeitung lernen Sie in folgenden Blog-Beiträgen:

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• Sehen Sie wie der Extrusionsprozess von Pasta mit COMSOL Multiphysics® modelliert werden kann: Pasta alla Simulazione: Modeling an Extruder in COMSOL®
• Nutzen Sie die Simulation in Ihrer Küche mit diesem Blog-Beitrag über die Herstellung von Crêpes: Finding the Best Way to Make Crêpes with Fluid Dynamics Research