Ein Mikrokalorimeter ist ein empfindliches thermisches Gerät, das verwendet wird, um die Energie einzelner Teilchen oder Photonen, Elementarteilchen des Lichts, zu messen. Es ist eine Art Kalorimeter – ein Instrument, das die durch physikalische oder chemische Reaktionen in einer Probe freigesetzte Wärme misst. Mikrokalorimeter werden in der Astrophysik verwendet, um die Energie von Röntgenphotonen aus dem Weltraum zu messen. Ein verwandtes Gerät, das isotherme Mikrokalorimeter, wird in der Biochemie und verwandten Gebieten verwendet, um winzige Energieänderungen bei niedrigen Temperaturen zu erkennen.
Der Energieerhaltungssatz, ein Grundgesetz der Physik, besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Formen umgewandelt werden kann. Mikrokalorimeter arbeiten nach diesem Prinzip. Energie aus einer physikalischen Wechselwirkung oder chemischen Reaktion wird innerhalb des Systems in Wärme umgewandelt, und durch Messung der resultierenden Wärmeänderung kann die Energie der Wechselwirkung abgeleitet werden.
Der in der Astrophysik verwendete Mikrokalorimetertyp besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Absorber, einem Kühlkörper und einem Thermistor. Beim Auftreffen eines Röntgenphotons auf den Absorber wird Energie auf ein Elektron in einem Atom des Absorbermaterials übertragen. Durch diese Energie wird das Elektron angeregt – es springt weiter vom Atomkern weg und bricht aus der Umlaufbahn. Andere Elektronen im Absorber können durch dieses lose Elektron in geringerem Maße angeregt werden und auf höhere Energiebahnen um ihre jeweiligen Atome aufsteigen.
Die angeregten Elektronen geben Energie frei, wenn sie in ihren Grundzustand oder den niedrigsten Energiezustand zurückkehren – eine stabile Umlaufbahn um die Atome. Die dabei frei werdende Energie wird gespeichert und in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur im Absorber geringfügig ansteigt. Ein als Thermistor bezeichnetes Thermometer im Absorber erfasst diese Temperaturänderung. Die Wärme fließt dann in den Kühlkörper, wodurch der Absorber auf seine ursprüngliche Temperatur zurückkehrt. Durch Messung der Temperaturänderung durch den Aufprall der Röntgenstrahlung kann die ursprüngliche Energie der Röntgenstrahlung berechnet werden.
Das isotherme Mikrokalorimeter funktioniert ähnlich, obwohl es eher zur Messung chemischer Wechselwirkungen als zur Photonenenergie verwendet wird. Dieses Gerät besteht aus einem Kühlkörper und einem geschlossenen Reaktionsgefäß, in dem die chemische Reaktion stattfindet. Der Kühlkörper sorgt für eine konstante Temperatur des Reaktionsgefäßes und ermöglicht so exakte Messungen. Bei der chemischen Reaktion wird eine bestimmte Energiemenge entweder als Wärme freigesetzt oder absorbiert, wodurch eine Temperaturänderung verursacht wird, die vom Mikrokalorimeter registriert wird. Isotherme Mikrokalorimeter finden Anwendungen in der physikalischen Chemie, Biochemie und der pharmazeutischen Industrie, da sie eine hochempfindliche Methode zur Analyse des Wärmeflusses in einer Reaktion bieten.
Mikrokalorimeter müssen bei niedrigen Temperaturen arbeiten, damit die winzigen Wärmeänderungen, die sie messen, registriert werden können. Beispielsweise werden die in der Astrophysik verwendeten Geräte nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten. Bei dieser Temperatur kann sogar die kleine Änderung der thermischen Energie durch den Aufprall eines einzelnen Photons nachgewiesen werden. Isotherme Mikrokalorimeter sind nicht so extrem, werden aber immer noch bei viel niedrigeren Temperaturen gehalten als Makrokalorimeter.