Wer hat das Radar erfunden?

von Cornell Drentea, KW7CD

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Wenn wir an Radio denken, denken wir gewöhnlich an einen Mann: Guglielmo Marconi.

Radar hingegen ist das Ergebnis der Arbeit vieler Männer.

Im Jahr 1793 untersuchte der italienische WissenschaftlerLazzaro Spallanzani, Professor an der Universität Padua, die Fähigkeit blinder Fledermäuse, mit Hilfe von Ultraschall zu navigieren. Er stellte fest, dass Fledermäuse im Dunkeln gut ohne Sehhilfe fliegen konnten. Dann entwarf er ein einzigartiges Experiment, um die Verwendung der Fledermausohren zu demonstrieren, und kam zu dem Schluss, dass eine Fledermaus ohne ihr Gehör die Orientierung verlieren würde. Er kam zu dem Schluss, dass die Fledermäuse eine kontinuierliche Folge von Schallimpulsen erzeugen, und vermutete, dass die Frequenz dieser Impulse zunimmt, wenn sich eine Fledermaus einem Objekt nähert. Dies wurde erst 1939 bewiesen, als Professor Don Griffin von der Harvard University das Phänomen mit Hilfe neuartiger Tonaufzeichnungstechniken und Instrumenten, die bis dahin nicht verfügbar waren, bestätigte. Obwohl diese Studien zu keinen unmittelbaren Schlussfolgerungen führten, dienten die Konzepte dazu, die ersten Radargeräte zu entwickeln.

Bereits 1864 entwickelte der britische Physiker James Clerk Maxwell eine Reihe von Gleichungen, die das Verhalten elektromagnetischer Wellen und die Gesetze der Reflexion bestimmen sollten. Im Jahr 1886 experimentierte der deutsche Physiker Heinrich Hertz mit Funkensendern und erzeugte gedämpfte Hochfrequenzwellen mit einer Wellenlänge von 66 cm. Dabei entdeckte er, dass die elektromagnetischen Wellen durch bestimmte Materialien übertragen werden konnten, während andere Materialien sie reflektierten. Daher wurden die neu entdeckten elektromagnetischen Wellen nach seinem Namen Hertzsche Wellen genannt.

Frühe Beiträge

Erst 1903 schlug der deutsche Ingenieur Christian Hulsmeyer einen „Hindernisdetektor“ für Schiffe vor und entwickelte ihn. Seine Experimente erwiesen sich auf eine Entfernung von einer Meile als erfolgreich, führten aber nicht zu einem praktischen Radar. Radar als Antikollisionssystem wurde vor allem nach dem erfolgreichen Einsatz von Funkkommunikation bei der Titanic-Katastrophe 1912 als wünschenswertes Hilfsmittel angesehen.

Radar wurde durch mehrere Erfindungen praktisch, die fast zeitgleich an der Wende vom 19. zum 20. Erstens wurde die dauerhafte Erzeugung von ungedämpften oder kontinuierlichen Radiowellen mit der Erfindung des Thermionischen Ventils, oder Audion, wie es genannt wurde, von Lee De Forest (seinem Erfinder) im Jahr 1906 möglich. Das Audion war ein Ableger des 1904 von Fleming erfundenen Ventils und des 1883 von Edison erfundenen Effekts.

Das Audion ermöglichte weitere Entwicklungen in der Radioempfängertechnologie mit der Erfindung des Superheterodyn-Radioempfängers durch Edwin H. Armstrong im Jahr 1918, eine Erfindung, die bis heute in Gebrauch ist. Die letzte große Erfindung, die letztlich das Radar ermöglichte, war die frühe Einführung des Oszilloskops im Jahr 1920, das wiederum erstmals die Darstellung von Zeitintervallen zwischen Ereignissen und damit von Entfernungen auf einer Kathodenstrahlröhre ermöglichte, ebenfalls eine Folge des Audions. Von diesem Zeitpunkt an war es nur noch eine Frage der Zeit, bis das Radar zu einem wichtigen Bestandteil unseres Lebens werden würde.

Nach 1920 standen die Fortschritte beim Radar unmittelbar bevor. Ernsthafte Überlegungen zur Möglichkeit der Entfernungsbestimmung per Funk wurden 1916 von Marconi angestellt. Er bemerkte die Reflexion von Kurzwellen-Morsecode-Funksignalen und die Möglichkeit, diese Signale nicht nur zur Kommunikation, sondern auch zur Bestimmung der Entfernung von Objekten über Echos zu nutzen. Im Juni 1922 verkündete er in New York vor dem American Institute of Electrical and Radio Engineers in seiner Grundsatzrede die Realisierung des Radars. Er prophezeite neue Arten von Seefunkgeräten, die Radiowellen projizieren und deren Reflexionen von metallischen Objekten erkennen würden, um die Anwesenheit und den Kurs anderer Schiffe in der Dunkelheit oder im Dunst „sofort zu erkennen“. Weitere Arbeiten wurden 1922 von Taylor und Young am NRL durchgeführt, die hölzerne Schiffe mit Hilfe von Dauerstrich-HF-Techniken bei einer Wellenlänge von 5 Metern aufspürten. 1924 verwendete der britische Physiker Sir Edward Victor Appleton Funkechos, um die Höhe der Ionosphäre zu bestimmen, während Breit und Tuve 1925 in den USA zum ersten Mal gepulste Radartechniken einsetzten, um dasselbe zu tun.

Weitere Arbeiten wurden 1934 in der UdSSR durchgeführt. Das Ergebnis war ein grobes Frühwarnradarsystem, das im Zweiten Weltkrieg zum Schutz der Städte Leningrad und Moskau gegen deutsche Flugzeuge eingesetzt wurde. Zur gleichen Zeit, 1934, wurde in den USA Taylor, Young und Hyland vom NRL ein Patent für ein System zur Erkennung von Objekten per Funk erteilt, und das Naval Research Laboratory, das U.S. Army Signal Corps, RCA und AT&T Bell Laboratories zeigten weiteres Interesse an der Radarentwicklung in den Vereinigten Staaten. Weitere Radarentwicklungen fanden in Deutschland in den 1930er Jahren mit Rudolf Uhnhold und der Elektronikfirma Telefunken statt, die mit der Funkortung von Schiffen zu experimentieren begannen.

MMarconis erste Arbeiten im Bereich der maritimen Peiltechnik ebneten den Weg zur Entwicklung des ersten praktischen Radars in Großbritannien. Diese Arbeit wurde dem britischen Physiker Sir Robert Watson-Watt zugeschrieben, der im Februar 1935 das erste HF-Radarsystem demonstrierte, das mit 6 MHz arbeitete und Flugzeuge in einer Entfernung von 8 Meilen erkannte. Im September 1935 demonstrierten die britischen Wissenschaftler ein gepulstes Radar mit 12 MHz. Damit wurden Flugzeuge in einer Entfernung von mehr als 40 Meilen entdeckt, und im März 1936 demonstrierte Großbritannien die Entdeckung von Flugzeugen bei 25 MHz in einer Entfernung von 90 Meilen. In der Zwischenzeit experimentierte das NRL in den USA mit den ersten Radarechos mit Halbmikrosekundenimpulsen bei einer noch höheren Frequenz von 28,3 MHz in einer Entfernung von 2,5 Meilen. Bald darauf wurde die Reichweite auf 25 Meilen erweitert.

„Chain-Home“

Erst 1939 wurde das Radar in Großbritannien ernsthaft für die Frühwarnabwehr in Betracht gezogen. Schnell wurde ein komplexes System als erstes praktisches Hilfsmittel aufgebaut. Die früheren Experimente zur Luftverteidigung von Sir Watson-Watt aus dem Jahr 1935 zahlten sich aus und führten zum ersten praktischen HF-Frühwarnradarsystem in England. Es wurde „Chain-Home“ genannt

Das System bestand aus vielen gepulsten Radarstationen, die auf 350 Fuß hohen Türmen wie eine „Kette“ um die britischen Inseln herum gebaut wurden, um England vor deutschen Luftangriffen zu schützen. Das „Chain-Home“-System säumte Englands gesamte Süd- und Ostküste.

Obwohl dieses System seinen Zweck erfüllte, waren die HF-Installationen von der Wellenlänge her recht groß und die HF-Leistung war durch die frühe Röhrentechnologie der damaligen Zeit begrenzt, was zu einer begrenzten Leistung führte.

Es wurde sofort deutlich, dass „Chain-Home“ trotz seiner Komplexität in seiner Leistung begrenzt war. Es musste etwas Besseres her, um die Unzulänglichkeiten der Technologie zu überwinden. Um mit höherer Auflösung und in größerer Entfernung sehen zu können, waren höhere Frequenzen (kürzere Wellenlängen) und leistungsstärkere Sendetechniken erforderlich.

Das Magnetron

Man schrieb das Jahr 1939. Die britische Regierung erkannte die Unzulänglichkeiten des „Chain-Home“-Systems und beauftragte zwei Wissenschaftler, Professor John Randall und Professor Henry Boot vom Fachbereich Physik der Universität Birmingham, mit der Entwicklung einer leistungsfähigen Mikrowellenquelle, die die alte Röhrentechnik ersetzen sollte. Nur sechs Monate später, im Februar 1940, erfanden die beiden Wissenschaftler das Resonanzhohlraum-Magnetron.

Dieses Magnetron erzeugte 10 Kilowatt HF-Leistung bei 10 Zentimetern Wellenlänge, etwa tausendmal stärker als jede andere Röhren-Mikrowellenquelle zu dieser Zeit.

Das Magnetron war jedoch ein kapriziöses Gerät in der Herstellung, und Großbritannien erkannte schnell die Unfähigkeit seiner durch die deutschen Luftangriffe bereits strangulierten Industrie, Magnetrons in den für die Herstellung neuer und besserer Radarsysteme erforderlichen Mengen herzustellen. Es war klar, dass die Vielseitigkeit des Magnetrons die Flugzeuge in die Lage versetzen würde, deutsche U-Boot-Periskope auf dem Meer und Panzer an Land zu sehen, wie es noch nie möglich war. Das Magnetron könnte die Radartechnologie wirklich revolutionieren.

Britannien erlebte seine verzweifeltsten Stunden. Jede Nacht fielen Bomben auf Liverpool und London, und eine Nazi-Invasion stand unmittelbar bevor. Angesichts der begrenzten Ressourcen beschloss der britische Premierminister Winston Churchill, die Erfindung des Magnetrons in die Vereinigten Staaten zu schicken, wo enorme Industrieressourcen für die Herstellung zur Verfügung standen.

Das erste Magnetron überquerte im September 1940 an Bord des kanadischen Schiffes Duchess of Richmond heimlich den Atlantik, um den deutschen Bomben zu entgehen und von Liverpool aus zu segeln. Es handelte sich um eine streng geheime Mission unter der Leitung von Sir Henry Tizard, Rektor des Imperial College of Science and Technology und Vorsitzender des wichtigsten wissenschaftlichen Ausschusses der britischen Regierung für Luftverteidigung. Dieses historische Ereignis ist als Tizard-Mission bekannt.

Das britische Magnetron kommt bei Raytheon an

Die Duchess of Richmond traf am Morgen des 6. September 1940 in aller Stille im Hafen von Cape Race und Halifax in Neufundland ein. Von hier aus ging die kostbare Fracht mit der Eisenbahn nach Washington, D.C.. In den nächsten Tagen traf sich Tizard mit Vertretern der US-Regierung, darunter Marineminister Franklin Knox und FDR.

Schließlich traf Tizard mit seinem technischen US-Kollegen, Dr. Vannevar Bush, einem Wissenschaftler am MIT und Mitbegründer der American Appliance Company, auch bekannt als Raytheon (ein Name, der „Licht der Götter“ bedeutet), einem großen, etablierten Elektronikhersteller in den USA.

Zu diesem Zeitpunkt stieg Raytheon in das Magnetrongeschäft ein. Schnell wurde ein Treffen zwischen Tizard und Percy L. Spencer, dem Chefingenieur von Raytheon, vereinbart. Spencer war ein brillanter, selbständiger Ingenieur und ein begeisterter Funkamateur mit einem praktischen Sinn für das Machbare. Er hörte sich die von den Briten geschilderten Fertigungsprobleme aufmerksam an und bat darum, das Magnetron übers Wochenende mit nach Hause nehmen zu dürfen, um in seinem Amateurfunkschuppen damit zu spielen. Die Erlaubnis wurde erteilt, und Spencer schlug radikale Änderungen und Leistungsverbesserungen vor, die das Magnetron zum ersten Mal herstellbar machten. Raytheon erhielt sofort einen Auftrag für eine kleine Anzahl von Magnetrons, und bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs stellte Raytheon mehr als 80 % aller Magnetrons in den USA her.

Dank Percy Spencer fand das Magnetron auch seinen Weg in den Mikrowellenherd. 1945 entdeckte Spencer einen schmelzenden Schokoriegel in seiner Hemdtasche, als er vor einem magnetronbetriebenen Radargerät stand. Er erkannte sofort den Wert dieser Entdeckung. Erfinder Spencer, der in seinem Leben über 120 Patente erhielt, sah die praktische Anwendung des Magnetrons in der Küche und hielt sofort eine Tüte Maiskörner neben den magnetronbetriebenen Radarsender und bekam Popcorn. Raytheon entwickelte und vermarktete 1954 den ersten Mikrowellenherd, der das Magnetron verwendete. Er wurde als 1161 Radar Range bezeichnet. Er war zwei Meter hoch und wog 750 Pfund. Zunächst wurde er nur in Luxusrestaurants und auf Ozeandampfern eingesetzt, aber 1967 produzierte die Amana-Abteilung von Raytheon den ersten Mikrowellenherd für den Hausgebrauch. Heute ist das Magnetron in jeder Küche zu finden. Die meisten Magnetrons werden heute in Japan oder China hergestellt.

Von der Gründung im Jahr 1922 als American Appliance Company bis zum Neubeginn im Jahr 1925 als Raytheon (Licht der Götter), der Erfindung der Gleichrichterröhre (genannt Raytheon), die es ermöglichte, Radioempfänger mit Wechselstrom zu betreiben, ohne eine Batterie zu benötigen, über die erste Lenkrakete bis hin zu Weltraumcomputern, die die historischen Mondreisen ermöglichten, bis hin zur heutigen Präsenz in allen Bereichen des Radios und des Radars ist Raytheon ein unbestrittener Weltmarktführer in der RF-Technologie.