Toisen maailmansodan tutkasta mikroaaltopopcorniin, kaviteettimagnetroni oli mukana

By Allison Marsh

Posted 2018-10-31 20:00 GMT

Tämä pienikokoinen kaviteettimagnetroni antoi liittoutuneille keinon tuottaa suuritehoisia mikroaaltoja tutkaa varten

Kuva: Ingenium
Kuva: Ingenium

Kesällä 1940 toinen maailmansota oli riehunut Länsi-Euroopassa jo lähes vuoden. Britannian taistelun aikana saksalaiset lentokoneet pommittivat Lontoota ja teollisuuskeskuksia ja saartoivat merisatamia. Yhdysvallat puolestaan yritti edelleen aktiivisesti pysyä sodan ulkopuolella.

Tässä tilanteessa fyysikko Edward ”Taffy” Bowen matkusti ryhmän muiden brittiläisten tiedemiesten ja sotilasupseerien kanssa Washingtoniin.

Bowenille oli uskottu musta metallilaatikko, joka sisälsi teknisiä salaisuuksia, jotka liittyivät Englannin sodanaikaiseen R&D. Virallisesti Britannian tekniseksi ja tieteelliseksi valtuuskunnaksi kutsutun matkan tarkoituksena oli jakaa nämä salaisuudet Yhdysvaltojen ja Kanadan kanssa siinä toivossa, että ne valmistaisivat toimivia aseita ja muita laitteita sotaa varten.

Laatikon sisällön joukossa oli erikoisen näköinen laite: levy, jonka reunalla oli uria ja jonka päistä lähti ohuita putkia ja johtoja. Tämä kämmenen kokoinen laite, jota kutsutaan ontelomagnetroniksi, tuotti suuritehoisia mikroaaltoja, ja se osoittautuisi ylivoimaisesti tärkeimmäksi laatikon sisältämäksi esineeksi.

Tämän sanottuaan laatikko oli aloittanut matkansa onneton. Matkalla Lontoon rautatieasemalle se oli kiinnitetty lontoolaisen taksin katolle. Eustonin asemalla kantaja vei sen pois ennen kuin Bowen ehti vastustaa sitä. Kun Bowen nousi laivaan Liverpoolissa, häntä seurasi kaikkialla hiljainen herrasmies, jolla oli sotilaallinen asenne. Laatikko oli sillä välin kiinnitetty niin, että sen salaisuudet uppoaisivat laivan mukana, jos laiva joutuisi hyökkäyksen kohteeksi.

Miten ontelomagnetroni ylipäätään joutui laatikkoon, on tarina, joka alkoi paljon aikaisemmin. Sana ”magnetron” – sanoista ”magnetic” (magneettinen) ja ”electron” (elektroni) – tuli englannin kieleen vuonna 1921, kun Albert W. Hull julkaisi tutkimuksensa ”The Effect of a Uniform Magnetic Field on the Motion of Electrons Between Coaxial Cylinders” (Tasaisen magneettikentän vaikutus koaksiaalisten sylinterien välisten elektronien liikkeeseen). Hull, fyysikko ja sähköinsinööri General Electricin tutkimuslaboratoriossa Schenectadyssa, New Yorkissa, yritti kiertää Lee de Forestin triodipatenttia. Hullin jakoanodimagnetronia käytettiin lopulta vahvistimena radiovastaanottimissa ja oskillaattoreissa. Lukuisat tutkijat alkoivat tutkia ja kokeilla laitetta.

John H. Bryantin mikroaaltotekniikan historian mukaan ennen vuotta 1940 maailmassa julkaistiin yli 200 artikkelia split-anode magnetronista. Joissakin kuvattiin, miten Hullin keksintöä voitiin käyttää, toisissa ehdotettiin tapoja optimoida pohjimmiltaan huonompaa rakennetta.

Syyskuussa 1939 Birminghamin yliopistossa Englannissa työskentelevät fyysikot John Randall ja Henry Boot alkoivat Mark Oliphantin johdolla tutkia uutta suuntaa magnetronien suunnittelussa. He tukeutuivat hollantilaisen insinöörin Klaas Posthumuksen työhön, joka oli selventänyt magnetronin teoreettista toimintaa. Heillä oli ratkaistavana hyvin erityinen ongelma: Kun saksalaiset lentokoneet terrorisoivat Englantia, mikä tahansa parannus maan tutkaominaisuuksissa voisi auttaa.

Sen lisäksi, että Oliphant toimi fysiikan professorina Birminghamissa, hän oli mukana salaisessa brittiläisessä tutkaohjelmassa. Sodan alkaessa maalla oli tutka-asemaketju, joka toimi 10-13 metrin aallonpituudella, ja se testasi ilmatutkaa, jonka aallonpituus oli 1,5 metriä. Oliphant kannatti mikroaaltoalueella toimivia tutkia, joiden aallonpituus olisi enintään 10 cm ja huipputeho 1 kilowatti. Tällainen järjestelmä parantaisi tutkakuvien erottelukykyä, mahdollistaisi pienempien ja kevyempien laitteiden asentamisen lentokoneisiin ja olisi vähemmän altis maakaikujen aiheuttamille häiriöille. Parempi magnetroni oli avainasemassa.

Kahdessa kuukaudessa Randall ja Boot saivat aikaan ontelomagnetronin perussuunnitelman. Se koostui sylinterimäisestä metallikappaleesta, jonka katodi kulki keskellä olevan reiän läpi. Ympäröivässä anodissa oli sarja symmetrisiä reikiä eli onteloita, jotka oli sijoitettu ympyrän muotoon keskireiän ympärille. Poikkileikkaus näytti Colt-revolverin kammiolta, joka sattui toimimaan mallina joillekin Randallin ja Bootin varhaisille prototyypeille.

Kun katodiin syötettiin virtaa ja laitetta ympäröi magneettikenttä, sähkövarauksen värähtely onkaloiden ympärillä johti sähkömagneettisten aaltojen säteilyyn. Jokainen ontelo loi oman resonanssitaajuutensa.

Helmikuuhun 1940 mennessä heillä oli prototyyppi, jonka aallonpituus oli 9,8 cm 400 watin teholla. Huhtikuussa he tekivät sopimuksen Lontoon lähellä Wembleyssä sijaitsevan General Electric Co:n kanssa kovempien näytteiden valmistamiseksi, jotka kestäisivät perusteellisemmat testit. Useimmissa prototyypeissä oli kuusi onteloa, mutta 12. prototyypissä oli kahdeksan. Juuri tämän viimeisen, E1189, sarjanumero 12, jonka E.C.S. Megaw loi General Electricillä, Bowen vei mukanaan Pohjois-Amerikkaan.

Britannian teknistä ja tieteellistä lähetystöä johti Sir Henry Tizard, joka oli Ison-Britannian ilmailualan tutkimuskomitean puheenjohtaja ja joka näki ilmeiset edut, joita ylivoimainen tutkajärjestelmä tarjoaisi. Hän tiesi, että Birminghamin tutkijat olivat saavuttaneet merkittäviä edistysaskeleita, mutta hän ymmärsi myös, että Britannialla olisi haasteita teollisen tuotannon kanssa sodan käydessä.

Kuva: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Tiedediplomatia: Sir Henry Tizard johti brittiläistä teknistä ja tieteellistä lähetystöä, joka haki Yhdysvalloilta ja Kanadalta apua Englannin sodanaikaisen R&D:n teollisessa tuotannossa.

Hallitus Lontoossa puolestaan epäili, että Yhdysvallat pystyisi pitämään salaisuutensa. Tizardin oli ensin taivuteltava Winston Churchill paljastamaan teknologia amerikkalaisille, ja sitten hänen oli vakuutettava Yhdysvaltain kongressi yhteistyöstä brittien kanssa. Useita viikkoja ennen kuin Bowen ja muu valtuuskunta lähtivät matkaan, Tizard suuntasi Washingtoniin pohjustamaan asiaa.

Lähetys osoittautui helpoksi kaupaksi amerikkalaisille tiedemiehille, joita ontelomagnetroni hämmästytti. Tarvittiin hieman enemmän neuvotteluja Yhdysvaltain ja Kanadan hallitusten kanssa tutkimuksen, valmistuksen ja toimituksen ehtojen asettamiseksi. Yhdysvaltain kansallinen puolustustutkimuskomitea (U.S. National Defense Research Committee) teki Bell Telephone Laboratoriesin kanssa sopimuksen 30 kappaleen kopioimisesta laitteesta.

Komitea rahoitti myös Massachusettsin teknilliseen instituuttiin perustetun Radiation Laboratory eli Rad Lab -laboratorion perustamisen, jonka tehtävänä oli toimittaa liittoutuneiden joukoille mikroaaltotutkia. Laboratorio tuotti lopulta 150 erilaista tutkajärjestelmää, jotka vaihtelivat lentokoneisiin tarkoitetuista kevyistä, pienikokoisista yksiköistä viidessä kuorma-autossa kuljetettavaan valtavaan mikroaaltojen ennakkovaroitusjärjestelmään.

Kuva: World History Archive/Alamy
Radar on Wheels: Kuorma-autoon asennettu SCR-584 oli yksi niistä tutkajärjestelmistä, jotka perustuivat brittiläiseen ontelomagnetroniin ja jotka kehitettiin MIT:n säteilylaboratoriossa.

Saksalaiset saivat tietää, että britit käyttivät ontelomagnetronia tutkaan helmikuussa 1943, kun he tutkivat pudonnutta pommikonetta Rotterdamin lähellä. Räjähdyspanos, jonka tarkoituksena oli tuhota tutkalaite ennen sen joutumista vihollisen käsiin, ei räjähtänyt.

Sodan jälkeen kaikki salaisuudet hylättiin, ja ontelomagnetronille löytyi monia rauhanomaisia kaupallisia käyttötarkoituksia. Sen lisäksi, että siitä tuli siviili-ilmailun tutkan standardi, siitä tuli myös jokaisen mikroaaltouunin sydän. Näiden sota-ajan ponnistelujen ansiosta me kaikki voimme nauttia mikroaaltopopcornia.

Yksi sotilaallisiin tarkoituksiin kehitetyn teknologian historiasta kirjoittamisen haasteista on se, että alkuperäinen tutkimus tehtiin usein salassa. Tällainen tieto leviää huonosti, varsinkin sota-aikana. Siksi on tavallista, että keksintöprosessiin osallistuneet ihmiset luulevat keksineensä jotain uutta, vaikka itse asiassa sama asia oli jo keksitty muualla. Ongelma pahenee, kun voittajat kirjoittavat tarinan ensimmäisen luonnoksen, ja kansallinen ylpeys sävyttää heidän sankarillista tarinaansa keksinnöstä.

Tutkiskellessani ontelomagnetronin historiaa törmäsin usein siteerattuun katkelmaan Tizardin tehtävän merkityksestä, jonka on kirjoittanut toisen maailmansodan aikaisen tieteellisen tutkimus- ja kehitystoimiston (Office of Scientific Research and Development Office of the Second World War) virallinen historioitsija James Phinney Baxter III. Pulitzer-palkitussa kirjassaan Scientists Against Time (1946) Baxter kirjoitti, että kun operaatio toi ontelomagnetronin Amerikkaan vuonna 1940, ”heillä oli mukanaan arvokkain koskaan rannikoillemme tuotu lasti”. Bowen vahvisti myöhemmin kertomusta brittiläisestä keksinnöstä ja ontelomagnetronin yhdysvaltalaisesta kehittämisestä vuonna 1987 ilmestyneessä kirjassaan Radar Days.

Ei ole epäilystäkään siitä, että Randall ja Boot keksivät ontelomagnetronin, mutta löysin myös kilpailevia kertomuksia ja etuoikeusväitteitä, jotka tekevät historiasta monitahoisemman, vivahteikkaamman ja kiinnostavamman. Paul Redheadin sekä Yves Blanchardin, Gaspare Galatin ja Piet van Genderenin artikkelit osoittavat, että 1920- ja 30-luvuilla monet ihmiset eri puolilla maailmaa kokeilivat erilaisia magnetronin malleja eivätkä pelkästään optimoineet Hullin jaetun anodin versiota. Vuonna 2010 järjestettiin kokonainen konferenssi, jossa käsiteltiin ontelomagnetronin alkuperää ja jossa esiteltiin tšekkiläisten, hollantilaisten, ranskalaisten, saksalaisten, venäläisten ja ukrainalaisten insinöörien ja tiedemiesten panosta.

Ja vaikka Randall ja Boot pitivät laitettaan ensimmäisenä, useat muutkin keksivät ontelomagnetronin itsenäisesti. Jos oli ensimmäinen, se oli luultavasti Arthur L. Samuel Bell Telephone Laboratoriesista. Hän jätti Yhdysvaltain patenttihakemuksen neljän ontelon magnetronista vuonna 1934. Valitettavasti hänen mallinsa ei ollut kovin käytännöllinen.

N.F. Aleksejev ja D.D. Malairov kehittivät menestyksekkään monikaviteettimagnetronin vuonna 1937, mutta tämä työ tunnettiin Neuvostoliiton ulkopuolella vasta vuonna 1940 . Japanissa Japanin laivaston ja Japan Radio Companyn yhteinen tutkimusohjelma johti kahdeksankoloiseen magnetroniin vuoteen 1939 mennessä. Mutta materiaalien puute haittasi sen valmistusta.

Jokaista näistä laitteista edeltää Bootin ja Randallin keksintö, mutta jokaiseen niistä liittyi myös varoitus, joka esti sen yleistymisen. Yksi Tizardin tehtävän perustavanlaatuisista opetuksista on, että kun tieteellistä tietoa jaetaan, kehitys voi edetä nopeasti. Tällä vuonna 2015 julkaistulla videolla näytetään Sylvanian valmistaman ontelomagnetronin purkaminen, joka on yksi monista yrityksistä, jotka valmistivat laitteita toisen maailmansodan aikana:

Ylhäällä kuvattu ontelomagnetroni on juuri se, jonka Bowen toi Washingtoniin. Kun Tizardin valtuuskunta palasi Britanniaan, he jättivät E1189:n Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston (National Research Council of Canada) virkamiehille käytettäväksi mallina tulevaa tutkimusta varten. Se pysyi siellä vuoteen 1969 asti, jolloin se annettiin Ottawassa sijaitsevalle Kanadan tiede- ja teknologiamuseolle.

Jotkut museokävijät saattavat pitää magnetronia esimerkkinä siitä, miten teknologia voi kietoutua diplomatiaan. Magnetronien tieteestä kiinnostuneet saattavat pitää laitteen yksinkertaisuutta opettavaisena. Minulle se osoittaa, miten yksittäinen esine ei voi oikeastaan käsittää edes oman keksintönsä koko monimutkaista historiaa. Historia on aina paljon rikkaampaa ja syvällisempää kuin miltä se ensi silmäyksellä näyttää.”

Tämän artikkelin lyhennetty versio ilmestyy marraskuun 2018 painetussa numerossa nimellä ”The Mighty Magnetron.”

Osa jatkuvasta sarjasta, jossa tarkastellaan valokuvia historiallisista esineistä, jotka ilmentävät teknologian rajatonta potentiaalia.

Tietoa kirjoittajasta

Allison Marsh on Etelä-Carolinan yliopiston historian apulaisprofessori ja yliopiston Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society -instituutin apulaisjohtaja

.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.