Who Invented Radar?

By Cornell Drentea, KW7CD

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Quando si pensa alla Radio, si pensa di solito a un uomo: Guglielmo Marconi.

Il radar, invece, è il risultato del lavoro di molti uomini.

Nel 1793, lo scienziato italianoLazzaro Spallanzani, professore all’Università di Padova studiò la capacità dei pipistrelli ciechi di navigare usando gli ultrasuoni. Osservò che i pipistrelli volavano bene nel buio senza l’aiuto della vista. Ha poi progettato un esperimento unico per dimostrare l’uso delle orecchie del pipistrello e ha concluso che un pipistrello sarebbe diventato disorientato senza il suo udito. Concludeva che i pipistrelli producevano un treno continuo di impulsi sonori e suggeriva che il tasso di questi impulsi aumentava man mano che il pipistrello si avvicinava agli oggetti. Questo non fu provato fino al 1939, quando il professor Don Griffin dell’Università di Harvard confermò il fenomeno utilizzando nuove tecniche di registrazione del suono e una strumentazione non disponibile in precedenza. Anche se questi studi non portarono a conclusioni immediate, i concetti servirono a creare i primi radar.

Già nel 1864, il fisico britannico James Clerk Maxwell sviluppò una serie di equazioni che avrebbero governato il comportamento delle onde elettromagnetiche e le leggi della riflessione. Nel 1886, il fisico tedesco Heinrich Hertz sperimentò con trasmettitori a scintilla e generò onde RF smorzate a una lunghezza d’onda di 66 cm. Poi scoprì che le onde elettromagnetiche potevano essere trasmesse attraverso alcuni tipi di materiali mentre altri materiali le riflettevano. Così, le onde elettromagnetiche appena scoperte furono chiamate onde hertziane, dal suo nome.

Primi contributi

Non fu fino al 1903, quando l’ingegnere tedesco Christian Hulsmeyer propose e sviluppò un “rilevatore di ostacoli” per le navi. I suoi esperimenti ebbero successo alla distanza di un miglio, ma non portarono a un radar pratico. Il radar, come sistema anticollisione, fu immaginato come uno strumento desiderabile soprattutto dopo il successo dell’uso delle comunicazioni radio nel disastro del Titanic nel 1912.

Il radar divenne pratico a causa di diverse invenzioni che avvennero quasi in coincidenza tra la fine del XIX secolo e l’inizio del XX secolo. In primo luogo, la generazione sostenuta di onde radio non smorzate o continue divenne possibile con l’invenzione della valvola termoionica, o Audion come fu chiamata, da Lee De Forest (il suo inventore) nel 1906. Questa era una derivazione della precedente invenzione della valvola Fleming nel 1904, e l’invenzione dell’effetto Edison nel 1883.

L’Audion rese possibili ulteriori sviluppi nella tecnologia dei ricevitori radio con l’invenzione del ricevitore radio supereterodina di Edwin H. Armstrong nel 1918, un’invenzione che è ancora con noi oggi. L’ultima grande invenzione che ha reso possibile il radar è stata la precoce introduzione dell’oscilloscopio nel 1920, che a sua volta ha reso possibile per la prima volta la visualizzazione degli intervalli di tempo tra gli eventi, e di conseguenza la distanza su un tubo a raggi catodici, un’altra conseguenza dell’Audion. Da questo punto in poi, era solo una questione di tempo prima che il radar diventasse una parte importante della nostra vita.

Dopo il 1920, il progresso nel radar era imminente. Considerazioni serie sulla possibilità di determinare la distanza via radio furono fatte da Marconi nel 1916. Egli notò la riflessione dei segnali di comunicazione radio in codice Morse a onde corte e la possibilità di utilizzare questi segnali non solo per comunicare, ma anche per determinare la distanza degli oggetti attraverso l’eco. Fu nel giugno 1922 a New York, all’American Institute of Electrical and Radio Engineers, che professò la realizzazione del radar nel suo discorso chiave. Predispose poi nuovi tipi di apparecchi radio marini che avrebbero proiettato onde radio e rilevato le loro riflessioni da oggetti metallici in modo da “rivelare immediatamente” la presenza e il rilevamento di altre navi nel buio o nella foschia. Un ulteriore lavoro nel 1922 fu fatto da Taylor e Young al NRL che rilevarono navi di legno usando tecniche di radiofrequenza a onda continua a una lunghezza d’onda di 5 metri. Nel 1924, un fisico britannico, Sir Edward Victor Appleton utilizzò gli echi radio per determinare l’altezza della ionosfera, mentre nel 1925 negli Stati Uniti, Breit e Tuve utilizzarono per la prima volta tecniche radar a impulsi per fare lo stesso.

Un lavoro aggiuntivo fu fatto in URSS nel 1934. Questo ha portato ad un rozzo sistema radar di preallarme usato durante la seconda guerra mondiale contro gli aerei tedeschi per proteggere le città di Leningrado e Mosca. Fu nello stesso periodo, nel 1934, che un brevetto fu concesso negli Stati Uniti a Taylor, Young e Hyland al NRL per un sistema di rilevamento di oggetti via radio e un ulteriore interesse nello sviluppo del radar fu mostrato negli Stati Uniti dal Naval Research Laboratory, U.S. Army Signal Corps, RCA e AT&T Bell Laboratories. Ulteriori sviluppi del radar ebbero luogo in Germania negli anni ’30 con Rudolf uhnhold e la ditta elettronica Telefunken che iniziarono a sperimentare il rilevamento radio delle navi.

Il lavoro iniziale di Marconi nelle tecniche di ricerca della direzione marittima aiutò a spianare la strada allo sviluppo del primo radar pratico in Gran Bretagna. Questo lavoro è stato attribuito al fisico britannico Sir Robert Watson-Watt che nel febbraio 1935 dimostrò il primo sistema radar HF che operava a 6 MHz e rilevava gli aerei ad una distanza di 8 miglia. Nel settembre 1935, gli scienziati britannici dimostrarono un radar a impulsi a 12 MHz. Questo ha rilevato gli aerei ad una distanza superiore a 40 miglia, e da marzo 1936, la Gran Bretagna ha dimostrato il rilevamento di aerei a 25 MHz ad una distanza di 90 miglia. Nel frattempo, negli Stati Uniti, il NRL sperimentò i primi echi radar con impulsi di mezzo microsecondo usando una frequenza ancora più alta, 28,3 MHz ad una distanza di 2,5 miglia. Poco dopo, la portata fu estesa a 25 miglia.

“Chain-Home”

Solo nel 1939 il radar fu preso seriamente in considerazione per la difesa d’allarme in Gran Bretagna. Un sistema complesso fu rapidamente costruito per la prima volta come strumento pratico. I precedenti esperimenti con la difesa aerea del 1935 di Sir Watson-Watt hanno dato i loro frutti con il risultato del primo sistema pratico di allarme rapido radar HF in Inghilterra. Questo fu chiamato “Chain-Home”.

Il sistema era composto da molte stazioni radar a impulsi costruite su torri alte 350 piedi, come una “catena” intorno alle isole britanniche per proteggere l’Inghilterra dalle invasioni aeree tedesche. Il sistema “Chain-Home” fiancheggiava l’intera costa sud ed est dell’Inghilterra.

Anche se questo sistema serviva al suo scopo, le installazioni HF erano piuttosto grandi dal punto di vista della lunghezza d’onda e la potenza RF era limitata dalla tecnologia dei primi tubi dell’epoca, con conseguente prestazione limitata.

Divenne subito evidente che nonostante la sua complessità, “Chain-Home” era limitata nelle sue prestazioni. Era necessario qualcosa di meglio per superare i difetti della tecnologia. Al fine di vedere con maggiore risoluzione e più lontano, erano necessarie frequenze più alte (lunghezze d’onda più corte) e tecnologie di trasmissione di maggiore potenza.

Il Magnetron

L’anno era il 1939. Vedendo le carenze del sistema “Chain-Home”, il governo britannico chiese a due scienziati, il professor John Randall e il professor Henry Boot del Dipartimento di Fisica dell’Università di Birmingham di inventare una potente sorgente di microonde per sostituire la vecchia tecnologia a tubi. Solo sei mesi dopo, i due scienziati inventarono il magnetron a cavità risonante nel febbraio 1940.

Questo magnetron generava 10 kilowatt di potenza RF a 10 centimetri di lunghezza d’onda, circa mille volte più potente di qualsiasi altra sorgente di microonde a tubi dell’epoca.

Tuttavia, il magnetron era un dispositivo capriccioso da produrre, e la Gran Bretagna si rese conto rapidamente dell’incapacità della sua industria, già strangolata dagli attacchi aerei tedeschi, di produrre magnetron nelle quantità necessarie per produrre nuovi e migliori sistemi radar. Era chiaro che la versatilità del magnetron poteva fornire agli aerei una capacità senza precedenti di vedere i periscopi degli U-Boot tedeschi in mare e i carri armati a terra. Il magnetron poteva veramente rivoluzionare la tecnologia radar.

La Gran Bretagna stava affrontando le sue ore più disperate. Le bombe cadevano ogni notte su Liverpool e Londra e un’invasione nazista era imminente. Con le sue risorse limitate completamente impegnate, il primo ministro britannico Winston Churchill decise rapidamente di inviare l’invenzione del magnetron negli Stati Uniti, dove erano prontamente disponibili vaste risorse industriali per produrlo.

Fuggendo dalle bombe tedesche e salpando da Liverpool, il primo magnetron attraversò segretamente l’Atlantico nel settembre 1940 a bordo della nave canadese Duchess of Richmond. Questa era una missione segretissima condotta da Sir Henry Tizard, rettore dell’Imperial College of Science and Technology e presidente del comitato scientifico chiave del governo britannico sulla difesa aerea. Questo evento storico è conosciuto come la Missione Tizard.

Il Magnetron britannico arriva alla Raytheon

La Duchessa di Richmond arrivò tranquillamente nel porto di Cape Race e Halifax di Newfound Land la mattina del 6 settembre 1940. Da qui, il prezioso carico partì per Washington, D.C. via ferrovia. Per i giorni successivi, Tizard si incontrò con i funzionari del governo degli Stati Uniti tra cui il Segretario della Marina Franklin Knox e FDR.

Finalmente, Tizard incontrò la sua controparte tecnica statunitense, il Dott. Vannevar Bush uno scienziato del MIT e anche, co-fondatore della American Appliance Company conosciuta anche come Raytheon (un nome che significa Luce degli Dei), un grande produttore di elettronica affermato negli Stati Uniti.

È a questo punto che Raytheon entra nel business dell’industria dei magnetron. Un incontro fu rapidamente organizzato tra Tizard e Percy L. Spencer, ingegnere capo di Raytheon. Spencer era un brillante ingegnere autodidatta e un appassionato radioamatore con un senso pratico di ciò che si può realizzare. Ascoltò attentamente i problemi di fabbricazione descritti dagli inglesi, e chiese di portare il magnetron a casa durante il fine settimana, per giocarci nella sua baracca da radioamatore. Il permesso fu concesso, e Spencer se ne uscì con cambiamenti radicali e miglioramenti delle prestazioni che resero il magnetron fabbricabile per la prima volta. Un contratto fu immediatamente assegnato a Raytheon per una piccola quantità di magnetron e alla fine della seconda guerra mondiale, Raytheon stava producendo oltre l’80% di tutti i magnetron negli Stati Uniti.

Inoltre, grazie a Percy Spencer, il magnetron trovò la sua strada nel forno a microonde. Nel 1945, Spencer scoprì una barretta di cioccolato fondente nella tasca della sua camicia mentre si trovava davanti a un radar alimentato da magnetron. Si rese subito conto del valore di questa scoperta. L’inventore Spencer, che ottenne più di 120 brevetti nella sua vita, vide l’applicazione pratica del magnetron in cucina, e immediatamente tenne un sacchetto di semi di mais vicino al trasmettitore radar alimentato a magnetron e ottenne dei popcorn. Raytheon sviluppò e commercializzò il primo forno a microonde che utilizzava il magnetron nel 1954. Era conosciuto come il 1161 Radar Range. Era alto un metro e mezzo e pesava 750 libbre. All’inizio era usato solo da ristoranti di lusso e transatlantici, ma nel 1967 la divisione Amana di Raytheon produsse il primo forno a microonde domestico da cucina. Oggi, il magnetron è presente in ogni cucina. La maggior parte dei magnetron oggi sono prodotti in Giappone o in Cina.

Dalla sua nascita nel 1922 come American Appliance Company ai suoi nuovi inizi nel 1925 come Raytheon (Luce degli Dei), all’invenzione del tubo raddrizzatore (chiamato Raytheon) che ha permesso ai ricevitori radio di funzionare a corrente alternata senza bisogno di una batteria, al primo missile guidato, ai computer spaziali che hanno reso possibili gli storici viaggi lunari, alla presenza di oggi in ogni aspetto della radio e del radar, Raytheon è stato un leader mondiale indiscusso della tecnologia RF.