Vom Radar des Zweiten Weltkriegs bis zum Mikrowellen-Popcorn: Das Hohlraummagnetron war dabei

Von Allison Marsh

Aufgenommen am 2018-10-31 20:00 GMT

Dieses kompakte Hohlraummagnetron gab den Alliierten die Möglichkeit, Hochleistungsmikrowellen für Radargeräte zu erzeugen

Foto: Ingenium
Foto: Ingenium

Im Sommer 1940 tobte der Zweite Weltkrieg in Westeuropa bereits seit fast einem Jahr. Während der Schlacht um Großbritannien bombardierten deutsche Flugzeuge London und Industriezentren und blockierten die Seehäfen. In der Zwischenzeit versuchten die Vereinigten Staaten immer noch, sich aktiv aus dem Krieg herauszuhalten.

Vor diesem Hintergrund reiste der Physiker Edward „Taffy“ Bowen mit einer Gruppe anderer britischer Wissenschaftler und Militäroffiziere nach Washington, D.C. Bowen war eine schwarze Metallkiste anvertraut worden, die technische Geheimnisse im Zusammenhang mit Englands R&D zu Kriegszeiten enthielt. Der Zweck der Reise, die offiziell „British Technical and Scientific Mission“ genannt wurde, bestand darin, diese Geheimnisse mit den Vereinigten Staaten und Kanada zu teilen, in der Hoffnung, dass sie brauchbare Waffen und andere Ausrüstungsgegenstände für den Krieg produzieren würden.

Zum Inhalt der Kiste gehörte ein seltsam aussehendes Gerät: eine Scheibe mit Rillen an ihrem Rand und dünnen Rohren und Drähten, die von ihren Enden ausgingen. Dieses handtellergroße Gerät, ein sogenanntes Hohlraummagnetron, erzeugte Hochleistungsmikrowellen und sollte sich als der bei weitem wichtigste Gegenstand in der Kiste erweisen.

Die Reise der Kiste begann jedoch mit einem Missgeschick. Auf dem Weg zum Bahnhof in London wurde sie auf das Dach eines Londoner Taxis geschnallt. Am Bahnhof Euston wurde sie von einem Gepäckträger weggeschleppt, bevor Bowen Einspruch erheben konnte. Beim Betreten eines Schiffes in Liverpool wurde Bowen von einem schweigsamen Herrn mit militärischem Auftreten begleitet. Die Kiste war unterdessen so gesichert, dass ihre Geheimnisse mit dem Schiff untergehen würden, falls das Schiff angegriffen würde.

Wie das Hohlraummagnetron überhaupt in die Kiste kam, ist eine Geschichte, die schon viel früher begann. Das Wort „Magnetron“ – von „magnetisch“ und „Elektron“ – fand 1921 Eingang in die englische Sprache, als Albert W. Hull seine Forschungsarbeit über „The Effect of a Uniform Magnetic Field on the Motion of Electrons Between Coaxial Cylinders“ veröffentlichte. Hull, ein Physiker und Elektroingenieur am General Electric Research Laboratory in Schenectady, N.Y., versuchte, ein Patent von Lee de Forest auf die Triode zu umgehen. Hulls Spaltanoden-Magnetron wurde schließlich als Verstärker in Radioempfängern und Oszillatoren eingesetzt. Zahlreiche Forscher begannen, das Gerät zu erforschen und damit zu experimentieren.

Nach John H. Bryants Geschichte der Mikrowellentechnologie wurden vor 1940 weltweit über 200 Arbeiten über Spaltanodenmagnetrons veröffentlicht. Einige beschrieben die Verwendung von Hulls Erfindung, andere schlugen Optimierungsmöglichkeiten für ein im Grunde genommen minderwertiges Design vor.

Im September 1939 begannen John Randall und Henry Boot, Physiker an der Universität von Birmingham in England, unter der Leitung von Mark Oliphant eine neue Richtung im Magnetron-Design zu erforschen. Sie stützten sich dabei auf die Arbeit des niederländischen Ingenieurs Klaas Posthumus, der die theoretische Funktionsweise des Magnetrons geklärt hatte. Und sie hatten ein sehr spezielles Problem zu lösen: Da die deutschen Flugzeuge England terrorisierten, konnte jede Verbesserung der Radarkapazitäten des Landes helfen.

Oliphant war nicht nur Physikprofessor in Birmingham, sondern auch Mitglied des geheimen britischen Radarprogramms. Zu Beginn des Krieges verfügte das Land über eine Kette von Radarstationen, die mit einer Wellenlänge von 10 bis 13 Metern arbeiteten, und testete Flugradar mit einer Wellenlänge von 1,5 Metern. Oliphant plädierte für ein Radar im Mikrowellenbereich mit einer Wellenlänge von 10 cm oder weniger und einer Spitzenleistung von 1 Kilowatt. Ein solches System würde die Auflösung der Radarbilder verbessern, kleinere und leichtere Geräte ermöglichen, die in Flugzeuge eingebaut werden könnten, und weniger anfällig für Störungen durch Bodenechos sein. Ein besseres Magnetron war der Schlüssel dazu.

Innerhalb von zwei Monaten hatten Randall und Boot einen Grundentwurf für ihr Hohlraummagnetron. Es bestand aus einem zylindrischen Metallstück mit einer Kathode, die durch ein zentrales Loch lief. Die umgebende Anode hatte eine Reihe von symmetrischen Löchern oder Hohlräumen, die kreisförmig um das zentrale Loch angeordnet waren. Der Querschnitt sah aus wie die Kammer eines Colt-Revolvers, der zufällig als Vorlage für einige der frühen Prototypen von Randall und Boot diente.

Wenn die Kathode mit Strom versorgt wurde und ein Magnetfeld das Gerät umgab, führte die Oszillation der elektrischen Ladung um die Hohlräume zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Jeder Hohlraum erzeugte seine eigene Resonanzfrequenz.

Bis Februar 1940 hatten sie einen Prototyp mit einer Wellenlänge von 9,8 cm bei 400 Watt. Im April schlossen sie einen Vertrag mit der General Electric Co. in Wembley bei London, um härtere Exemplare herzustellen, die gründlicheren Tests standhalten konnten. Die meisten Prototypen hatten 6 Hohlräume, aber der 12. Prototyp hatte 8. Es war dieser letzte, E1189, Seriennummer 12, der von E.C.S. Megaw bei General Electric entwickelt wurde, den Bowen mit nach Nordamerika nahm.

Die britische technische und wissenschaftliche Mission wurde von Sir Henry Tizard geleitet, der Vorsitzender des britischen Luftfahrtforschungsausschusses war und die offensichtlichen Vorteile erkannte, die ein überlegenes Radarsystem bringen würde. Er wusste, dass die Forscher in Birmingham bedeutende Fortschritte gemacht hatten, aber er verstand auch, dass Großbritannien mit der industriellen Produktion Probleme haben würde, während es den Krieg führte.

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Wissenschaftsdiplomatie: Sir Henry Tizard leitete die britische technische und wissenschaftliche Mission, die sich um die Hilfe der Vereinigten Staaten und Kanadas bei der industriellen Produktion von Englands Kriegs-R&D bemühte.

Die Regierung in London bezweifelte unterdessen, dass die Vereinigten Staaten ihre Geheimnisse bewahren könnten. Tizard musste zunächst Winston Churchill davon überzeugen, den Amerikanern die Technologie zu offenbaren, und dann musste er den US-Kongress davon überzeugen, mit den Briten zusammenzuarbeiten. Einige Wochen vor der Abreise von Bowen und dem Rest der Delegation reiste Tizard nach Washington, um die Grundlagen dafür zu schaffen.

Die Mission erwies sich für die amerikanischen Wissenschaftler, die von dem Hohlraummagnetron begeistert waren, als ein Kinderspiel. Es bedurfte einiger Verhandlungen mit den Regierungen der USA und Kanadas, um die Bedingungen für Forschung, Herstellung und Lieferung festzulegen. Das U.S. National Defense Research Committee beauftragte die Bell Telephone Laboratories mit dem Nachbau von 30 Exemplaren des Geräts.

Das Komitee finanzierte auch die Einrichtung des Radiation Laboratory (Rad Lab) am Massachusetts Institute of Technology, das die alliierten Streitkräfte mit Mikrowellenradar versorgen sollte. Das Labor produzierte schließlich 150 verschiedene Radarsysteme, die von leichten, kompakten Einheiten für Flugzeuge bis hin zum riesigen Mikrowellen-Frühwarnsystem reichten, das in fünf Lastwagen transportiert wurde.

Bild: World History Archive/Alamy
Radar auf Rädern: Das auf Lastwagen montierte SCR-584 war eines der Radarsysteme, die auf dem britischen Hohlraummagnetron basierten und vom MIT Radiation Laboratory entwickelt wurden.

Die Deutschen erfuhren im Februar 1943, dass die Briten das Hohlraummagnetron für das Radar verwendeten, als sie einen abgeschossenen Bomber in der Nähe von Rotterdam untersuchten. Eine Sprengladung, die das Radargerät zerstören sollte, bevor es in die Hände des Feindes fiel, schlug fehl.

Nach dem Krieg wurden alle Geheimnisse beiseite gelegt, und das Hohlraummagnetron fand viele friedliche kommerzielle Anwendungen. Es wurde nicht nur zum Standard für das Radar in der Zivilluftfahrt, sondern auch zum Herzstück eines jeden Mikrowellenofens. Dank dieser Kriegsanstrengungen können wir heute alle Mikrowellen-Popcorn genießen.

Eine der Herausforderungen beim Schreiben über die Geschichte einer Technologie, die für militärische Zwecke entwickelt wurde, besteht darin, dass die anfängliche Forschung oft im Geheimen stattfand. Solches Wissen zirkuliert schlecht, besonders in Kriegszeiten. Daher glauben die am Entdeckungsprozess Beteiligten oft, dass sie etwas Neues erfunden haben, obwohl das Gleiche bereits anderswo erfunden worden war. Dieses Problem wird noch verschärft, wenn die Sieger den ersten Entwurf der Geschichte schreiben und der Nationalstolz den Ton für ihre heroische Erfindungsgeschichte angibt.

Als ich mich mit der Geschichte des Hohlraummagnetrons befasste, stieß ich auf eine oft zitierte Passage über die Bedeutung der Tizard-Mission, die von James Phinney Baxter III, dem offiziellen Historiker des Office of Scientific Research and Development während des Zweiten Weltkriegs, geschrieben wurde. In seinem mit dem Pulitzer-Preis ausgezeichneten Buch Scientists Against Time (1946) schrieb Baxter, dass die Mission, als sie 1940 das Hohlraummagnetron nach Amerika brachte, „die wertvollste Fracht transportierte, die jemals an unsere Küsten gebracht wurde“. Bowen bekräftigte später in seinem Buch Radar Days (1987) die Darstellung der britischen Erfindung und der amerikanischen Entwicklung des Hohlraummagnetrons.

Es besteht kein Zweifel, dass Randall und Boot das Hohlraummagnetron erfunden haben, aber ich habe auch konkurrierende Darstellungen und Prioritätsansprüche entdeckt, die die Geschichte komplexer, nuancierter und interessanter machen. Artikel von Paul Redhead und von Yves Blanchard, Gaspare Galati und Piet van Genderen zeigen, dass in den 1920er und 30er Jahren viele Menschen auf der ganzen Welt mit verschiedenen Magnetron-Designs experimentierten und nicht nur Hulls Version mit geteilten Anoden optimierten. Im Jahr 2010 war eine ganze Konferenz dem Thema der Ursprünge des Hohlraummagnetrons gewidmet, mit Beiträgen tschechischer, niederländischer, französischer, deutscher, russischer und ukrainischer Ingenieure und Wissenschaftler.

Auch wenn Randall und Boot ihr Gerät für das erste hielten, haben also mehrere andere unabhängig voneinander das Hohlraummagnetron erfunden. Wenn es einen Ersten gab, dann war es wahrscheinlich Arthur L. Samuel von den Bell Telephone Laboratories. Er meldete 1934 ein US-Patent für ein Magnetron mit vier Kavitäten an. Leider war sein Entwurf nicht sehr praktikabel.

N.F. Alekseev und D.D. Malairov entwickelten 1937 ein erfolgreiches Multikavitäten-Magnetron, aber diese Arbeit wurde außerhalb der Sowjetunion erst 1940 bekannt. In Japan führte ein gemeinsames Forschungsprogramm der japanischen Marine und der Japan Radio Company bis 1939 zu einem Magnetron mit acht Kavitäten. Aber Materialmangel behinderte seine Herstellung.

Jedes dieser Geräte war älter als die Erfindung von Boot und Randall, aber jedes von ihnen war auch mit einem Vorbehalt behaftet, der seine Akzeptanz verhinderte. Eine der grundlegenden Lehren aus der Tizard-Mission ist, dass die Entwicklung schnell voranschreiten kann, wenn wissenschaftliche Erkenntnisse geteilt werden. Dieses Video aus dem Jahr 2015 zeigt das Auspacken eines Hohlraummagnetrons von Sylvania, einem von mehreren Unternehmen, die diese Geräte während des Zweiten Weltkriegs herstellten:

Das oben abgebildete Hohlraummagnetron ist genau das, das Bowen nach Washington brachte. Als die Tizard-Delegation nach Großbritannien zurückkehrte, ließ sie das E1189 bei Beamten des Nationalen Forschungsrats von Kanada zurück, um es als Vorlage für künftige Forschungen zu verwenden. Dort blieb es bis 1969, als es dem Canada Science and Technology Museum in Ottawa übergeben wurde.

Einige Museumsbesucher mögen das Magnetron als ein Beispiel dafür ansehen, wie Technologie in die Diplomatie verwickelt werden kann. Diejenigen, die sich für die Wissenschaft des Magnetrons interessieren, werden die Einfachheit des Geräts lehrreich finden. Für mich zeigt es, dass ein einzelnes Objekt nicht wirklich die gesamte komplexe Geschichte seiner eigenen Erfindung umfassen kann. Geschichte ist immer viel reicher und tiefer strukturiert, als es auf den ersten Blick scheint.

Eine gekürzte Version dieses Artikels erscheint in der Printausgabe vom November 2018 unter dem Titel „The Mighty Magnetron.“

Teil einer fortlaufenden Serie, die sich mit Fotografien historischer Artefakte befasst, die das grenzenlose Potenzial der Technologie aufzeigen.

Über den Autor

Allison Marsh ist außerordentliche Professorin für Geschichte an der University of South Carolina und Co-Direktorin des Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society der Universität.

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