Die Geschichte der Elektromagnetischen Wellen

Die Geschichte der Elektromagnetischen Wellen
eine Übersicht über die Entwicklung der letzten zwei Jahrhunderte.

Die Entwicklung der Elektronik-Industrie und damit auch die Entwicklung und der Einsatz von Elektromagnetischen Wellen bzw. Mikrowellen (Bezeichnung für extrem kurze Elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von einigen cm bzw. mm) ist eine produktive Mischung aus Theorie und Pragmatismus. Die Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen geht auf James Clerk Maxwell zurück, ein brillianter Theoretiker der schon 1864 die Existenz von Elektromagnetischen Wellen schriftlich erwähnte. Es dauerte allerdings noch 22 Jahre bis Heinrich Hertz im Jahre 1886 die Existenz dieser Elektromagnetischen Wellen experimentiell nachweisen konnte. Hertz verwendete eine Induktionsspule mit einer Funkenstrecke um in einiger Entfernung in einer auf 450 MHz resonanten Empfangsschleife wiederum einen Funken zu erzeugen. Auf die Frage ob Seine „Erfindung“ von weiterem Nutzen sein werde, beantwortete Hertz mit „eher nicht“. Eine Antwort, die Heirich Hertz später sicher revidiert hätte. Heinrich Hertz starb im Alter von nur 36 Jahren an der Wegnerschen Krankheit. Hertz erbrachte den Beweis dass sich Elektromagnetische Wellen genauso schnell und auf gleicher Art wie das Licht ausbreiten. Seine Ergebnisse sind die Grundlage zur Entwicklung der Drahtlosen Kommunikation. (Radio, Funk, Radar, etc.) Sir Joseph Oliver Lodge (Englischer Physiker) führte der „Royal Society“ in London im Jahre 1894 die Anwendung der „Hertzschen Wellen“ vor. Auch Lodge dachte erstmals nicht daran dass diese Erfindung eine größerer Bedeutung hätte und schränkte den Anwendungsbereich auf etwa eine halbe Mile (< 1 km) bzw. auf den sichtbaren Horizont ein. Im Gegensatz zu Heinrich Hertz konnte Oliver Lodge jedoch die ab der Jahrhundertwende rasant einsetzende Entwicklung der Drahtlosen Kommunikationstechnik miterleben, Lodge starb 1940 im Alter von 89 Jahren. 1896 hielt Sir Jagadish Chandra Bose (Indischer Physiker, Botaniker) vor der Royal Society in London einen Vortrag über Seine Experimente zur Erzeugung von Elektromagnetischen (Mikro)Wellen von bis zu 60 GHz. Bemerkenswert daran ist dass Bose diese Frequenzen mit den damals üblichen Funkensendern erzeugte und anscheinend auch Mittel zum „Empfang“ von Mikrowellen herstellen konnte. Bis zu diesem Zeitpunkt konnte man das „erfundene“ Potential nicht wirklich verwerten. Die Entdecker entsprachen auch eher dem Typus von Forschern und Wissenschafter die mehr durch Wissensdurst und Neugierde angetrieben wurden und nicht unbedingt aus kommerziellen Gründen handelten. Das änderte sich schlagartig als ein gewisser Gugliemo Marconi (später Marchese) die Weltbühne betrat. Marconis Stärke war nicht die Wissenschaft und die Theorie, Marconi war pragmatisch veranlagt und erkannte als erster die Bedeutung der Herzschen Wellen um Daten und Signale über große Entfernungen zu übertragen. Seine Taten sind Geschichte und bis zur Gegenwart bestens bekannt. Mit Marconi begann der Siegeszug der drahtlosen Kommunikation der bis heute noch anhält, jedoch nicht mehr so spektakulär wahrgenommen wird. 1972 wurde die Weltraumsonde Pioneer 10 in das Weltall geschickt, versorgt durch einen radioisotopen thermoelektrischen 150 Watt Generator, ausgestattet mit einer 2,74m Parabolantenne. Für den downlink wurde ein TWT mit 8 Watt HF Ausgangsleistung auf 2292 MHz eingesetzt. 1973 erreichte Pioneer 10 den Jupiter, im Jahre 2003 konnte die NASA bei einer Entfernung von 7,5 Milliarden Kilometer zum letzten Mal eine Kommunikation mit Pioneer 10 herstellen der weiter zum Sternensystem Aldebaran (Alpha Tauri) unterwegs ist. Was würde wohl Marconi über diesen Weitenrekord sagen? Es dauerte 172 Jahre von Volta`s Batterie bis zum Start von Pioneer 10, was werden sich Intelligente Lebewesen im Aldebaran über die Parabolantenne, den Transistoren, den TWT und den Thermogenerator denken wenn in etwa 2 Millionen Jahren die Raumsonde dort angekommen sein wird? Auf welchem technischen Niveau wird dann der Mensch stehen?

Meilensteine von 1800 bis 2000 1800 Volta erfindet die Batterie 1820 Örstedt, entdeckt den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus 1827 Ohm definiert das Ohmsche Gesetz 1831 Faraday entdeckt die magnetische Induktion und die Gesetze der Elektrolyse 1864 Maxwell erstellt Dokument über den Elektromagnetismus 1876 Bell baut das erste brauchbare Telefon 1880 Heaviside ergänzt Maxwells Gleichung 1886 Hertz weist die Existenz von Elektromagnetischen Wellen nach 1893 Thompson entwickelt Theorie des Hohlleiters 1896 Bose arbeitet mit Mikrowellen bis 60 GHz 1897 Marconi gründet die Firma “Wireless Telegraph Company Limited”, Braun entwickelt die „Braunsche Röhre“, Lord Raleigh beschreibt die „Mathematik“ des Hohlleiters 1899 Marconi, überbrückt den Ärmelkanal 1900 Fessenden erfindet die Sprachmodulation 1901/1902 Marconi überbrückt den Atlantik 1904 Fleming entwickelt die Diodenröhre 1906 DeForest entwickelte die Triodenröhre 1912 Amstrong entwickelt die Modulationsart FM 1916 Czochralski gelingt synthetische Herstellung von Quarzkristallen 1919 Eccles and Jordan entwickeln das „Flip-Flop“ 1920 Hull entwickelt das Magnetron 1922 Cady, entwickelt den Quarzoszillator 1926 Yagi-Uda entwickelt die später nach Ihm benannte Antenne 1928 Potocnik erwähnt Geostationäre Positionierung im Orbit, Nyquist veröffentlicht Seine Sampling Theorie 1930 Clavier verwendet Parabolantennen bei Mikrowellenlinks 1932 Jansky entdeckt Rauschspektrum des Sagittarius, die Radio-Astronomie beginnt 1935 Watson-Watt generiert die Begriffe „Radar“ und „Ionoshäre“ 1946 Eisler entwickelt die gedruckte Schaltung (printed circuit) 1937 Varian entwickelt das Klystron 1938 Schottky bechreibt „Metal Semiconductor Junctions“ 1939 Hewlett und Packard beginnen in einer Garage die Produktion von Elektronischen Geräten, Smith entwickelt das nach Ihm benannte Kreisdiagramm 1940 England installiert Landesweite Luftraumüberwachung mittels Radar (Chain Home) 1942 Friies definiert Formel für die Berechnung der Rauschzahl (Noise Figure) 1946 Reflexionen von Elektromagnetischen Wellen vom Mond empfangen (EME) 1947 Bardeen, Brattain und Shockley entwickeln den Transistor 1948 NTSC Norm für B&W Fernsehen in USA eingeführt 1950 AT&T verwenden Mikrowellen für Richtfunkstrecken im C-Band 1953 Deschamps stellt Patch Antenne vor 1957 Die UDSSR startet den Sputnik 1958 Kilby (TI) und Noyce (Fairchild) entwickeln die Integrierte Schaltung (IC) 1960 HP und Monsanto bringt die Leuchtdiode (LED) auf den Markt 1965 Kurokwawa beschreibt die Funktion von S-Parameter 1968 RCA entwickelt CMOS 1969 Das Internet beginnt als Arpanet 1972 NASA startet Pioneer 10 1973 Software für Mikrowellenschaltungen verfügbar 1978 AT&T starten Tests für das 800 MHz AMPS Mobiltelefonsystem 1980 GaAs FETs für eine Ausgangsleistung von 10 Watt auf 10 GHz verfügbar 1981 IBM bringt den PC auf den Markt 1983 Motorola bringt ein Handtelefon für den analogen AMPS Standard auf den Markt 1993 GPS Block II in Betrieb 2003 NASA`s letzter Kontakt mit Pioneer 10

Epilog Natürlich gibt es noch viele andere Erfindungen in der Sparte der Nachrichtentechnik und Elektronik die man noch aufgezählen könnte. Dies betrifft im Wesentlichen auch die Entwicklung von aktiven und passiven Bauelemente, der Messtechnik und den maschinellen Produktions-und Herstellungsverfahren. Erst mit der Verfügbarkeit moderner und hochwertiger Bauelemente konnten bestimmte Entwicklungen in der Form realisiert werden in der wir sie heute kennen und der Komplexitätsgrad erhöht werden. Von der Entwicklung des flip-flop bis zum ENIAC Computer dauerte es gerade mal 27 Jahre, bis zum PC von IBM immerhin 62 Jahre. Manche Technologien (wie z.B. die Fernsehnormen) haben sich zum Teil mit Veränderungen und Modifikationen relativ lange behaupten können, nach insgesamt 61 Jahren Betrieb, inkl. der Umstellung auf Farbe, ist nun das Ende der analogen Televison Standards (NTSC, PAL, SECAM) gekommen, in den Industrienationen werden terrestrische TV - Übertragungen nur mehr digital moduliert ausgesendet. Ein klassisches Beispiel frühezeitiger Innovation ist die gedruckte Schaltung, wahrscheinlich hat sich Eisler im Jahre 1946 die gesamte Tragweite seiner Erfindung wohl nur vage vorstellen können. Bis zur Massenanwendung hat es dann noch ca. 25 Jahre gedauert und heute geht ohne Leiterplatte nichts mehr.

Änderung der Komplexität im Wandel der Zeit (z.B. bei Amateurfunkgeräte)

um 1900 > eine Diode bzw. Kristall (1 aktives Element) 1935 – 1970 > bis zu 20 Röhren [Collins 75S 3B] 1970 – 1980 > Transistoren ersetzen Röhren, [Kenwood TS820] (ca. 150 aktive Elemente) 1980 – 2000 > Einsatz von IC, µP, [Yaesu FT 1000MP] (>100.000 aktive Elemente) ab 2000 > Software Defined Radio + PC (zig-Millionen aktive Elemente)

Quellenverzeichnis & Web Resources J.C. Rautio, “Maxwell’s Legacy,” IEEE Microwave Magazine, June 2005, pp. 46–53. www.wikipedia.com: Heinrich Hertz. E. Larson, Thunderstruck, Three Rivers Press, New York, NY 2006. H. Potocnik, The Problem of Space Travel, Government Printing Office, Washington, DC (English reprint from 1928 book in German). www.wikipedia.com: Pioneer 10. Microwave Journal Vol. 51 | No. 7 | July 2008 | Randy Rhea, Susina LLC Doug Millar, K6JEY; moonlink-net