Dal radar della seconda guerra mondiale ai popcorn a microonde, il magnetron a cavità era lì

Di Allison Marsh

Posted 2018-10-31 20:00 GMT

Questo compatto magnetron a cavità diede agli alleati un modo di produrre microonde ad alta potenza per il radar

Foto: Ingenium
Foto: Ingenium

Nell’estate del 1940, la seconda guerra mondiale infuriava in Europa occidentale da quasi un anno. Durante la battaglia d’Inghilterra, gli aerei tedeschi bombardavano Londra e i centri industriali e bloccavano i porti. Gli Stati Uniti, nel frattempo, stavano ancora cercando attivamente di rimanere fuori dalla guerra.

In questo contesto, il fisico Edward “Taffy” Bowen viaggiò con un gruppo di altri scienziati britannici e ufficiali militari a Washington, D.C. A Bowen era stata affidata una scatola di metallo nero che conteneva segreti tecnici relativi alla R&D inglese in tempo di guerra. Lo scopo del viaggio, ufficialmente chiamato Missione tecnico-scientifica britannica, era quello di condividere questi segreti con gli Stati Uniti e il Canada, nella speranza che producessero armi funzionanti e altre attrezzature per la guerra.

Tra i contenuti della scatola c’era un dispositivo dall’aspetto curioso: un disco con scanalature intorno al suo bordo e sottili tubi e fili che si estendevano dalle sue estremità. Questo gadget palmare, chiamato magnetron a cavità, produceva microonde ad alta potenza, e si sarebbe rivelato di gran lunga l’oggetto più importante della scatola.

Detto questo, la scatola ebbe un inizio sfortunato del suo viaggio. Durante il tragitto verso la stazione ferroviaria di Londra, fu legato al tetto di un taxi londinese. Alla stazione di Euston, un facchino la portò via prima che Bowen potesse obiettare. Imbarcandosi su una nave a Liverpool, Bowen fu accompagnato ovunque da un signore silenzioso dal portamento militare. La scatola, nel frattempo, fu assicurata in modo che i suoi segreti affondassero con la nave se la nave fosse stata attaccata.

Come il magnetron a cavità sia finito nella scatola in primo luogo è una storia che inizia molto prima. La parola “magnetron” – da “magnetic” e “electron” – entrò nella lingua inglese nel 1921, quando Albert W. Hull pubblicò la sua ricerca su “The Effect of a Uniform Magnetic Field on the Motion of Electrons Between Coaxial Cylinders”. Hull, un fisico e ingegnere elettrico del General Electric Research Laboratory di Schenectady, N.Y., stava cercando di aggirare un brevetto sul triodo detenuto da Lee de Forest. Il magnetron a doppio anodo di Hull fu alla fine usato come amplificatore nei ricevitori radio e negli oscillatori. Numerosi ricercatori cominciarono a studiare e sperimentare il dispositivo.

Secondo la storia della tecnologia a microonde di John H. Bryant, oltre 200 articoli sui magnetroni ad anodo diviso furono pubblicati in tutto il mondo prima del 1940. Alcuni descrivevano come utilizzare l’invenzione di Hull; altri suggerivano modi per ottimizzare quello che era essenzialmente un progetto inferiore.

Nel settembre 1939, John Randall e Henry Boot, fisici dell’Università di Birmingham, in Inghilterra, iniziarono ad esplorare una nuova direzione nella progettazione del magnetron, sotto la guida di Mark Oliphant. Facevano affidamento sul lavoro dell’ingegnere olandese Klaas Posthumus, che aveva chiarito il funzionamento teorico del magnetron. E avevano un problema molto specifico da risolvere: Con gli aerei tedeschi che terrorizzavano l’Inghilterra, qualsiasi miglioramento nelle capacità radar del paese poteva essere d’aiuto.

Oltre ad essere professore di fisica a Birmingham, Oliphant era un membro del programma segreto del radar britannico. All’inizio della guerra, il paese aveva una catena di stazioni radar che operavano su una lunghezza d’onda di 10-13 metri e stava testando un radar aereo con una lunghezza d’onda di 1,5 metri. Oliphant sosteneva la necessità di un radar che operasse nella gamma delle microonde, con una lunghezza d’onda di 10 cm o meno e con una potenza di picco di 1 kilowatt. Un tale sistema migliorerebbe la risoluzione delle immagini radar, permetterebbe un’attrezzatura più piccola e leggera che potrebbe essere installata negli aerei, e sarebbe meno suscettibile alle interferenze degli echi del terreno. Un magnetron migliore era la chiave.

In due mesi, Randall e Boot avevano un progetto di base per il loro magnetron a cavità. Consisteva in un pezzo cilindrico di metallo che aveva un catodo che correva attraverso un foro centrale. L’anodo circostante aveva una serie di fori simmetrici, o cavità, disposti in cerchio intorno al foro centrale. La sezione trasversale assomigliava alla camera di un revolver Colt, che si dà il caso sia servito come modello per alcuni dei primi prototipi di Randall e Boot.

Quando si forniva energia al catodo e un campo magnetico circondava il dispositivo, l’oscillazione della carica elettrica attorno alle cavità portava alla radiazione di onde elettromagnetiche. Ogni cavità creava la propria frequenza di risonanza.

Nel febbraio 1940, avevano un prototipo che mostrava una lunghezza d’onda di 9,8 cm a 400 watt. In aprile, hanno stipulato un contratto con la General Electric Co. di Wembley, vicino a Londra, per produrre esemplari più robusti che potessero resistere a test più approfonditi. La maggior parte dei prototipi aveva 6 cavità, ma il 12° prototipo ne aveva 8. Fu quest’ultimo, E1189, numero di serie 12, creato da E.C.S. Megaw alla General Electric, che Bowen portò con sé in Nord America.

La missione tecnica e scientifica britannica era guidata da Sir Henry Tizard, che era presidente del Comitato di Ricerca Aeronautica della Gran Bretagna e vide gli ovvi vantaggi che sarebbero derivati da un sistema radar superiore. Sapeva che i ricercatori di Birmingham avevano fatto progressi significativi, ma aveva anche capito che la Gran Bretagna avrebbe avuto delle sfide con la produzione industriale mentre combatteva la guerra.

Foto: Hulton Archive/Central Press/Getty Images
Diplomazia scientifica: Sir Henry Tizard guidò la missione tecnico-scientifica britannica, che cercò l’aiuto degli Stati Uniti e del Canada nella produzione industriale della R&D inglese in tempo di guerra.

Il governo di Londra, nel frattempo, dubitava che gli Stati Uniti potessero mantenere i loro segreti. Tizard dovette prima convincere Winston Churchill a rivelare la tecnologia agli americani, e poi dovette convincere il Congresso degli Stati Uniti a collaborare con gli inglesi. Diverse settimane prima che Bowen e il resto della delegazione partissero, Tizard si diresse a Washington per gettare le basi.

La missione si rivelò facile da vendere agli scienziati americani, che furono sbalorditi dal magnetron a cavità. Ci volle un po’ più di negoziazione con i governi degli Stati Uniti e del Canada per stabilire i termini per la ricerca, la produzione e la consegna. L’U.S. National Defense Research Committee stipulò un contratto con i Bell Telephone Laboratories per replicare 30 copie del dispositivo.

Il comitato finanziò anche la creazione del Radiation Laboratory, o Rad Lab, al Massachusetts Institute of Technology, per fornire alle forze alleate un radar a microonde. Il laboratorio alla fine produsse 150 diversi sistemi radar, che andavano da unità leggere e compatte per gli aerei all’enorme sistema di preallarme a microonde trasportato in cinque camion.

Immagine: World History Archive/Alamy
Radar su ruote: L’SCR-584 montato su camion era uno dei sistemi radar che era basato sul magnetron a cavità britannico e sviluppato dal MIT Radiation Laboratory.

I tedeschi appresero che gli inglesi stavano usando il magnetron a cavità per il radar nel febbraio 1943, quando esaminarono un bombardiere abbattuto vicino a Rotterdam. Una carica esplosiva destinata a distruggere il set radar prima che cadesse in mani nemiche non riuscì ad esplodere.

Dopo la guerra, tutti i segreti furono messi da parte, e il magnetron a cavità trovò molti usi commerciali pacifici. Non solo divenne uno standard per i radar dell’aviazione civile, ma divenne anche il cuore di ogni forno a microonde. Grazie a questi sforzi in tempo di guerra, tutti noi possiamo goderci i popcorn a microonde.

Una delle sfide nello scrivere la storia di una tecnologia sviluppata per scopi militari è che la ricerca iniziale fu spesso fatta in segreto. Tale conoscenza circola male, specialmente in tempo di guerra. È quindi comune per le persone coinvolte nel processo di scoperta credere di aver inventato qualcosa di nuovo quando in realtà la stessa cosa era già stata inventata altrove. Questo problema è aggravato quando i vincitori scrivono la prima bozza della storia, e l’orgoglio nazionale dà un tono al loro eroico racconto di invenzione.

Facendo ricerche sulla storia del magnetron a cavità, mi sono imbattuto in un passaggio spesso citato sull’importanza della missione Tizard, scritto da James Phinney Baxter III, lo storico ufficiale dell’Ufficio di ricerca scientifica e sviluppo durante la seconda guerra mondiale. Nel suo libro vincitore del premio Pulitzer, Scienziati contro il tempo (1946), Baxter scrisse che quando la missione portò il magnetron a cavità in America nel 1940, “portavano il carico più prezioso mai portato sulle nostre coste”. Bowen in seguito rafforzò la narrazione dell’invenzione britannica e dello sviluppo statunitense del magnetron a cavità nel suo libro del 1987, Radar Days.

Non c’è dubbio che Randall e Boot inventarono il magnetron a cavità, ma ho anche scoperto narrazioni concorrenti e rivendicazioni di priorità che rendono la storia più complessa, sfumata e interessante. Gli articoli di Paul Redhead e di Yves Blanchard, Gaspare Galati e Piet van Genderen mostrano che durante gli anni ’20 e ’30, molte persone in tutto il mondo stavano sperimentando diversi progetti per il magnetron, non solo ottimizzando la versione ad anodo diviso di Hull. Nel 2010, c’è stata un’intera conferenza dedicata al tema delle origini del magnetron a cavità, con relazioni sui contributi di ingegneri e scienziati cechi, olandesi, francesi, tedeschi, russi e ucraini.

E così, anche se Randall e Boot pensavano che il loro dispositivo fosse il primo, molti altri inventarono indipendentemente il magnetron a cavità. Se c’è stato un primo, è probabilmente Arthur L. Samuel dei Bell Telephone Laboratories. Egli presentò una domanda di brevetto statunitense per un magnetron a quattro cavità nel 1934. Sfortunatamente, il suo progetto non era molto pratico.

N.F. Alekseev e D.D. Malairov svilupparono un magnetron multicavità di successo nel 1937, ma questo lavoro non era conosciuto fuori dall’Unione Sovietica fino al 1940. In Giappone, un programma di ricerca congiunto della Marina giapponese e della Japan Radio Company portò a un magnetron a otto cavità nel 1939. Ma la mancanza di materiali ha ostacolato la sua fabbricazione.

Ognuno di questi dispositivi precede l’invenzione di Boot e Randall, ma ognuno di essi è venuto anche con un avvertimento che gli ha impedito di essere accettato. Una delle lezioni fondamentali della missione Tizard è che quando la conoscenza scientifica è condivisa, lo sviluppo può andare avanti rapidamente. Questo video del 2015 mostra l’unboxing di un magnetron a cavità realizzato da Sylvania, una delle diverse aziende che hanno prodotto i dispositivi durante la seconda guerra mondiale:

Il magnetron a cavità raffigurato in alto è proprio quello che Bowen ha portato a Washington. Quando la delegazione Tizard tornò in Gran Bretagna, lasciò l’E1189 ai funzionari del Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada per servire come modello per le ricerche future. Rimase lì fino al 1969, quando fu dato al Canada Science and Technology Museum, a Ottawa.

Alcuni visitatori del museo possono vedere il magnetron come un esempio di come la tecnologia può essere avvolta dalla diplomazia. Quelli interessati alla scienza dei magnetroni possono trovare la semplicità del dispositivo istruttivo. Per me, dimostra come un singolo oggetto non può davvero racchiudere l’intera complessa storia della sua stessa invenzione. La storia è sempre molto più ricca e più profondamente strutturata di quanto appaia a prima vista.

Una versione abbreviata di questo articolo appare nel numero di stampa di novembre 2018 come “The Mighty Magnetron.”

Parte di una serie continua che guarda alle fotografie di artefatti storici che abbracciano il potenziale sconfinato della tecnologia.

Informazioni sull’autore

Allison Marsh è professore associato di storia all’Università della Carolina del Sud e codirettore dell’Ann Johnson Institute for Science, Technology & Society dell’università.

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