Quem inventou o Radar?

Por Cornell Drentea, KW7CD

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>Quando pensamos em Rádio, normalmente pensamos em um homem: Guglielmo Marconi.

Radar, por outro lado resultou do trabalho de muitos homens.

Em 1793, o cientista italiano Lazzaro Spallanzani, professor na Universidade de Pádua, estudou a capacidade de navegação de morcegos cegos usando ultra som. Ele observou que os morcegos voavam bem no escuro sem a ajuda da visão. Ele então concebeu uma experiência única para demonstrar o uso dos ouvidos dos morcegos e concluiu que um morcego ficaria desorientado sem a sua audição. Ele concluiu que os morcegos produziam um trem contínuo de pulsos sonoros e sugeriu que a taxa desses pulsos aumentava à medida que um morcego se aproximava dos objetos. Isso só foi comprovado em 1939, quando o professor Don Griffin da Universidade de Harvard confirmou o fenômeno usando novas técnicas de gravação sonora e instrumentação não disponíveis anteriormente. Embora estes estudos não tenham resultado em nenhuma conclusão imediata, os conceitos serviram para criar os primeiros radares.

Já em 1864, o físico britânico James Clerk Maxwell desenvolveu um conjunto de equações que governariam o comportamento das ondas eletromagnéticas e as leis dos reflexos. Em 1886, o físico alemãoHeinrich Hertz fez experiências com transmissores de faíscas e gerou ondas RF amortecidas a um comprimento de onda de 66 cm. Ele descobriu então que as ondas eletromagnéticas podiam ser transmitidas através de alguns tipos de materiais, enquanto outros materiais as refletiam. Assim, as ondas eletromagnéticas recém-descobertas foram chamadas de ondas Hertzianas, depois de seu nome.

Contribuições precoces

Só em 1903, quando o engenheiro alemão Cristian Hulsmeyer propôs e desenvolveu um “detector de obstáculos” para navios. Suas experiências foram bem sucedidas a uma distância de uma milha, mas não resultaram em um radar prático. O radar, como um sistema anti-colisão foi concebido como uma ferramenta desejável especialmente após o uso bem sucedido das comunicações por rádio no desastre do Titanic em 1912.

Radar tornou-se prático por causa de várias invenções acontecendo quase por coincidência na virada do século 19 e no começo do século 20. Primeiro, a geração sustentada de ondas de rádio não amortecidas ou contínuas tornou-se possível com a invenção da válvula termiônica, ou Audion como foi chamada, por Lee De Forest (seu inventor) em 1906. Esta foi uma descoberta da anterior invenção da válvula Fleming em 1904, e da invenção do efeito Edison em 1883.

O Audion tornou possível novos desenvolvimentos na tecnologia de receptores de rádio com a invenção do receptor de rádio superheterodyne por Edwin H. Armstrong em 1918, uma invenção que ainda hoje está conosco. A última grande invenção que tornou o radar possível foi a introdução precoce do osciloscópio em 1920, o que por sua vez tornou possível pela primeira vez, mostrando intervalos de tempo entre eventos, e consequentemente a distância num tubo de raios catódicos, outra consequência do Audion. A partir deste ponto, era apenas uma questão de tempo até que o radar se tornasse uma parte importante da nossa vida.

A partir de 1920, o progresso do radar era iminente. Considerações sérias sobre a possibilidade de determinar a distância por rádio foram dadas por Marconi em 1916. Ele notou o reflexo dos sinais de comunicação via rádio em código Morse de onda curta e a possibilidade de usar esses sinais não só para comunicar, mas também para determinar a distância dos objetos via ecos. Foi em junho de 1922, em Nova York, no American Institute of Electrical and Radio Engineers, que ele professou a realização do radar em sua principal nota de endereço. Ele então previu novos tipos de aparelhos de rádio marinhos que projetariam ondas de rádio e detectariam seus reflexos a partir de objetos metálicos, de modo a “revelar imediatamente” a presença e o rumo de outros navios no escuro ou na bruma. Trabalho adicional em 1922 foi feito por Taylor e Young na NRL que detectaram navios de madeira usando técnicas de ondas contínuas de RF a um comprimento de onda de 5 metros. Em 1924, um físico britânico, Sir Edward Victor Appleton usou ecos de rádio para determinar a altura da ionosfera, enquanto em 1925 nos EUA, Breit e Tuve usaram técnicas de radar pulsado pela primeira vez para fazer o mesmo.

O trabalho adicional foi feito na URSS em 1934. Isto resultou em um sistema de radar de alerta precoce bruto usado durante a Segunda Guerra Mundial contra as aeronaves alemãs para proteger as cidades de Leninegrado e Moscou. Foi ao mesmo tempo, em 1934, que uma patente foi concedida nos EUA à Taylor, Young e Hyland na NRL para um sistema de detecção de objetos por rádio e um maior interesse no desenvolvimento de radares foi mostrado nos EUA pelo Laboratório de Pesquisa Naval, U.S. Army Signal Corps, RCA e AT&T Bell Laboratories. Outros desenvolvimentos de radar ocorreram na Alemanha nos anos 30 com a Rudolf uhnhold e a empresa de eletrônica Telefunken que começou a experimentar a detecção de rádio de navios.

O trabalho inicial da Marconi em técnicas de busca de direção marítima ajudou a pavimentar o caminho para o desenvolvimento do primeiro radar prático na Grã-Bretanha. Este trabalho foi atribuído ao físico britânico Sir Robert Watson-Watt que em fevereiro de 1935 demonstrou o primeiro sistema de radar HF que operava a 6 MHz e detectou aeronaves a um alcance de 8 milhas. Em setembro de 1935, os cientistas britânicos demonstraram um radar pulsante a 12 MHz . Este detectou aeronaves a um alcance superior a 40 milhas e, em março de 1936, a Grã-Bretanha demonstrou a detecção de aeronaves a 25 MHz a um alcance de 90 milhas. Entretanto, nos EUA, a NRL experimentou os primeiros ecos de radar com pulsos de meio microssegundo, usando uma freqüência ainda maior, 28,3 MHz a uma distância de 2,5 milhas. Logo após isto, o alcance foi estendido para 25 milhas.

“Chain-Home”

Foi somente em 1939 quando o radar foi seriamente considerado para defesa de alerta precoce na Grã-Bretanha. Um sistema complexo foi rapidamente construído pela primeira vez como uma ferramenta prática. As experiências anteriores com a defesa aérea de 1935 por Sir Watson-Watt valeram a pena, resultando no primeiro sistema prático de radar de aviso prévio de HF na Inglaterra. Isto foi chamado de “Chain-Home”

O sistema foi feito de muitas estações de radar pulsantes construídas em torres de 350 pés de altura muito parecidas com uma “corrente” ao redor das Ilhas Britânicas para proteger a Inglaterra contra as invasões aéreas alemãs. O sistema “Chain-Home” alinhou toda a costa sul e leste da Inglaterra.

Embora este sistema tenha servido ao seu propósito, as instalações HF eram bastante grandes do ponto de vista do comprimento de onda e a potência de RF era limitada pela tecnologia de tubo precoce da época, resultando em desempenho limitado.

Tornou-se imediatamente aparente que, apesar de sua complexidade, a “Chain-Home” era limitada em seu desempenho. Algo melhor era necessário para superar as pequenas vindas da tecnologia. Para ver com maior resolução e mais longe, eram necessárias frequências mais altas (comprimentos de onda mais curtos) e tecnologias de transmissão de potência mais altas.

O Magnetron

O ano era 1939. Vendo as deficiências do sistema “Chain-Home”, o governo britânico pediu a dois cientistas, o professor John Randall e o professor Henry Boot do Departamento de Física da Universidade de Birmingham, que criassem uma poderosa fonte de microondas para substituir a velha tecnologia de tubos. Apenas seis meses depois, os dois cientistas inventaram o magnetrão da cavidade ressonante em fevereiro de 1940.

Este magnetrão gerou 10 quilowatts de potência de RF a 10 centímetros de comprimento de onda, cerca de mil vezes mais potente do que qualquer outra fonte de microondas tubulares na época.

No entanto, o magnetrão era um dispositivo caprichoso para fabricar, e a Grã-Bretanha percebeu rapidamente a incapacidade da sua indústria já estrangulada pelos ataques aéreos alemães para fabricar magnetrões nas quantidades necessárias para produzir novos e melhores sistemas de radar. Ficou claro que a versatilidade do magnetrão poderia proporcionar às aeronaves uma capacidade sem precedentes de ver periscópios alemães de submarinos no mar e tanques em terra. O magnetrão poderia verdadeiramente revolucionar a tecnologia de radar.

A Grã-Bretanha estava enfrentando suas horas mais desesperadas. Bombas caíam de noite sobre Liverpool e Londres e uma invasão nazista era iminente. Com seus recursos limitados totalmente comprometidos, uma decisão foi rapidamente tomada pelo primeiro-ministro britânico Winston Churchill para enviar a invenção Magnetron para os Estados Unidos, onde vastos recursos industriais estavam prontamente disponíveis para produzi-la.

Só escapando das bombas alemãs e navegando de Liverpool, o primeiro Magnetron cruzou secretamente o Atlântico em setembro de 1940 a bordo do transatlântico canadense Duquesa de Richmond. Esta foi uma missão muito secreta conduzida por Sir Henry Tizard, Reitor do Colégio Imperial de Ciência e Tecnologia e Presidente do comité científico chave do Governo Britânico para a defesa aérea. Este evento histórico é conhecido como a Missão Tizard.

O Magnetron Britânico Chega a Raytheon

A Duquesa de Richmond chegou tranquilamente à Newfound Land’s Cape Race e ao porto de Halifax na manhã de 6 de Setembro de 1940. Daqui, a preciosa carga partiu para Washington, D.C. via caminho de ferro. Durante os dias seguintes, Tizard encontrou-se com oficiais do Governo dos EUA, incluindo o Secretário da Marinha Franklin Knox e FDR.

Finalmente, Tizard encontrou-se com o seu homólogo técnico dos EUA, o Dr. Vannevar Bush um cientista do MIT e também, co-fundador da American Appliance Company também conhecida como Raytheon (um nome que significa Luz dos Deuses), um grande fabricante de eletrônicos estabelecido nos EUA.

É neste ponto que Raytheon entra no ramo da indústria de magnetron. Um encontro foi rapidamente combinado entre Tizard e Percy L. Spencer, Engenheiro Chefe da Raytheon. Spencer foi um brilhante engenheiro autodidata e um ávido operador de rádio de presunto com um senso prático do que pode ser alcançado. Ele ouviu atentamente os problemas de fabricação descritos pelos britânicos, e pediu para levar o magnetrão para casa durante o fim de semana, para brincar com ele em sua barraca de presunto. A permissão foi concedida, e Spencer apresentou mudanças radicais e melhorias de desempenho que tornaram o magnetrão fabricável pela primeira vez. Um contrato foi imediatamente adjudicado à Raytheon para uma pequena quantidade de magnetrões e no final da II Guerra Mundial, a Raytheon estava fabricando mais de 80% de todos os magnetrões nos EUA.

Também, graças a Percy Spencer, o Magnetron encontrou o seu caminho para o forno de microondas. Em 1945, Spencer descobriu uma barra de chocolate derretida no bolso da camisa enquanto estava em frente a um radar alimentado por magnetron. Ele percebeu imediatamente o valor desta descoberta. Inventor Spencer, que obteve mais de 120 patentes em sua vida viu a aplicação prática do magnetrão na cozinha, e imediatamente segurou um saco de sementes de milho ao lado do transmissor de radar alimentado por magnetrão e recebeu pipocas. A Raytheon desenvolveu e comercializou o primeiro forno microondas a utilizar o magnetrão, em 1954. Era conhecido como a gama de radares 1161. Tinha um metro e meio de altura e pesava 750 libras. No início, era usado apenas por restaurantes de luxo e transatlânticos, mas em 1967, a divisão Amana da Raytheon produziu o primeiro forno de microondas de cozinha doméstica. Hoje, o magnetron está presente em todas as cozinhas. A maioria dos magnetrões hoje em dia são produzidos no Japão ou na China.

Desde a sua criação em 1922 como a American Appliance Company até ao seu novo começo em 1925 como Raytheon (Luz de Deuses), até à invenção do tubo rectificador (chamado Raytheon) que permitiu que os receptores de rádio funcionassem em corrente alternada sem necessidade de bateria, ao primeiro míssil guiado, aos computadores espaciais que tornaram possíveis as viagens lunares históricas, à presença actual em todos os aspectos do rádio e do radar, a Raytheon tem sido um líder global indiscutível da tecnologia RF.