Überblick
Obwohl sie auf zwei grundlegend verschiedenen Arten der Wellenübertragung beruhen, sind RADAR (Radio Detection And Ranging) und SONAR (Sound Navigation and Ranging) beides Fernerkundungssysteme mit wichtigen militärischen, wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen. RADAR sendet elektromagnetische Wellen aus, während aktives SONAR akustische (d.h. Schall-) Wellen überträgt. Bei beiden Systemen senden diese Wellen Echos von bestimmten Merkmalen oder Zielen zurück, die die Bestimmung wichtiger Eigenschaften und Merkmale des Ziels (z. B. Form, Größe, Geschwindigkeit, Entfernung usw.) ermöglichen. Da elektromagnetische Wellen im Wasser stark gedämpft (abgeschwächt) werden, werden RADAR-Signale meist für Beobachtungen am Boden oder in der Atmosphäre verwendet. Da SONAR-Signale das Wasser leicht durchdringen, sind sie ideal für die Navigation und Messung unter Wasser.
Hintergrund
Seit Hunderten von Jahren wurden nicht-mechanische Unterwasser-Hörgeräte (Hörrohre) verwendet, um Schall im Wasser zu erkennen. Bereits 1882 versuchte der Schweizer Physiker Daviel Colladen, die Schallgeschwindigkeit in den bekannten Tiefen des Genfersees zu berechnen.
Ausgehend von den physikalischen Grundlagen der Schallübertragung, die der englische Physiker Lord Rayleigh (1842-1914) im 19. Jahrhundert formulierte, und dem piezoelektrischen Effekt, den der französische Wissenschaftler Pierre Curie (1509-1906) 1915 entdeckte, erfand der französische Physiker Paul Langevin (1872-1946) das erste System zur Nutzung von Schallwellen und akustischen Echos in einem Unterwasserortungsgerät. Nach der Titanic-Katastrophe entwickelten Langevin und sein Kollege Constantin Chilowsky, ein russischer Ingenieur, der damals in der Schweiz lebte, ein so genanntes „Hydrophon“, mit dem Schiffe Eisberge leichter aufspüren konnten (der größte Teil eines Eisbergs bleibt unter der Meeresoberfläche). Ähnliche Systeme wurden sofort als Hilfsmittel für die Unterwassernavigation von U-Booten eingesetzt.
Verbesserte Elektronik ermöglichte die Herstellung von stark verbesserten Abhör- und Aufzeichnungsgeräten. Da passives SONAR im Grunde nichts anderes ist als ein ausgeklügeltes Aufnahme- und Schallverstärkungsgerät, litten diese Systeme darunter, dass sie von der Stärke des vom Ziel kommenden Schallsignals abhängig waren. Die empfangenen Signale oder Wellen konnten typisiert (d. h. auf bestimmte Ziele bezogen) werden, um Merkmale zu identifizieren. Obwohl in den Händen eines geschickten und erfahrenen Bedieners recht gute Ergebnisse erzielt werden konnten, waren die Schätzungen von Entfernung, Peilung und relativer Bewegung der Ziele weit weniger präzise und genau als die Ergebnisse aktiver Systeme, es sei denn, die Ziele waren sehr nahe – oder machten viel Lärm.
Die Bedrohung durch die U-Boot-Kriegsführung während des Ersten Weltkriegs machte die Entwicklung von SONAR und anderen Mitteln zur Echoortung dringend erforderlich. Die Entwicklung des Schallwandlers, der elektrische Energie in Schallwellen umwandelt, ermöglichte in den letzten Kriegsjahren rasche Fortschritte bei der Konstruktion und Technologie von SONAR. Obwohl das aktive SONAR zu spät entwickelt wurde, um noch während des Ersten Weltkriegs erprobt werden zu können, brachte der Vorstoß in seine Entwicklung enorme technologische Vorteile mit sich. Nicht alle Fortschritte waren jedoch auf die militärische Nutzung beschränkt. Nach dem Krieg wurden Echolotgeräte an Bord vieler großer französischer Ozeanriesen installiert.
Während der ersten Schlachten des Zweiten Weltkriegs bemühte sich das britische Anti-Submarine Detection and Investigation Committee (dessen Akronym ASDIC zu einem allgemein gebräuchlichen Namen für britische SONAR-Systeme wurde), jedes Schiff der britischen Flotte mit fortschrittlichen Detektionsgeräten auszustatten. Der Einsatz von ASDIC erwies sich als entscheidend für die britischen Bemühungen, schädliche Angriffe deutscher U-Boote sowohl auf britische Kriegsschiffe als auch auf Handelsschiffe abzuwehren, die den Inselstaat mit Munition und Lebensmitteln versorgten.
Während die SONAR-Entwicklungen des frühen zwanzigsten Jahrhunderts voranschritten, wurde ein anderes System der Fernerkundung entwickelt, das auf dem verbesserten Verständnis der Natur und der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung beruhte, das der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) im neunzehnten Jahrhundert erreicht hatte.
In den 1920er und frühen 1930er Jahren setzte der schottische Physiker und Meteorologe Sir Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) erfolgreich Kurzwellen-Radioübertragungen ein, um die Richtung herannahender Gewitter zu erkennen. Mit einer anderen Technik, die Watson-Watt und seine Kollegen von der British Radio Research Station anwandten, wurde die Höhe der Ionosphäre (eine Schicht in der oberen Atmosphäre, die als Radioreflektor wirken kann) gemessen, indem kurze Radiowellenimpulse nach oben gesendet und dann die Zeit gemessen wurde, die die Signale brauchten, um zur Station zurückzukehren. Da die Geschwindigkeit von Radiowellen bekannt war, konnte mit diesen Messungen die Höhe der reflektierenden Schicht sehr genau bestimmt werden.
1935 hatte Watson-Watt die geniale Idee, diese Richtungs- und Entfernungsmessungstechniken zu kombinieren, und erfand damit das RADAR. Watson-Watt baute sein erstes praktisches RADAR-Gerät in Ditton Park.
Nahezu sofort fragten Beamte des königlichen Luftfahrtministeriums Watson-Watt, ob sein Gerät das Potenzial hätte, feindliche Flugzeuge zu beschädigen oder abzuschießen. Watson-Watt antwortete, dass die Funkwellenübertragungen viel zu schwach seien, um dieses Ziel zu erreichen. Dennoch schlug er den Beamten des Ministeriums vor, dass eine Funkortung möglich sei. 1935 schrieb Watson-Watt einen Brief mit dem Titel „Detection and Location of Aircraft by Radio Methods“. Watson-Watt legte sorgfältig dar, dass das Auslesen des schwachen Rücksignals eines Flugzeugs eine weitaus größere technische Herausforderung darstellen würde als bei seinen meteorologischen Experimenten. Das ausgesendete Signal musste mehr als hundertmal energiereicher sein. Außerdem müssten ein empfindlicherer Empfänger und eine empfindlichere Antenne gebaut werden.
Kurz darauf führten Watson-Watt und Wissenschaftler des Ministeriums ein Experiment durch, um die Funktionsfähigkeit des RADAR zu testen, ohne dass ein Testlauf durchgeführt werden konnte. Das Gerät von Watson-Watt war in der Lage, Flugzeuge in einer Entfernung von bis zu 13 km zu beleuchten (d. h. zu erkennen). Innerhalb eines Jahres verbesserte Watson-Watt sein RADAR-System so, dass es Flugzeuge in einer Entfernung von bis zu 113 km (70 Meilen) erkennen konnte. Das Großbritannien der Vorkriegszeit nutzte Watson-Watts Erfindung schnell für militärische Zwecke, und Ende 1938 waren primitive RADAR-Systeme an der englischen Küste zu finden. Diese Stationen, die in der Lage waren, Flugzeuge unabhängig von Bodennebel oder Wolken aufzuspüren, sollten während des Zweiten Weltkriegs eine wichtige Rolle bei der Entdeckung herannahender Naziflugzeuge spielen.
Die Entwicklung von RADAR war nicht allein Sache der Briten. Bis zum Ausbruch des Zweiten Weltkriegs hatten alle großen Kriegsparteien irgendeine Form von RADAR-Systemen entwickelt. An vielen Fronten waren die Schlachten oft von dramatischen Spielen wissenschaftlicher und technischer Überlegenheit geprägt, die der britische Premierminister Sir Winston Churchill den „Zauberkrieg“ nannte. Während des Krieges wurde Watson-Watt zu einem dieser Zauberer, als er den Posten des wissenschaftlichen Beraters im königlichen Luftfahrtministerium übernahm.
Bis zum Ende des Krieges hatten die britischen und amerikanischen Streitkräfte eine Reihe von RADAR-Typen und -Anwendungen entwickelt, darunter Luftabwehrsysteme (AI), Luft-Boden-Schiffe (ASV), bodengesteuerte Abfangsysteme (GCI) und verschiedene Geschützvisier- und Verfolgungs-RADARs.
Ungeachtet ihrer Anwendung streuen, lenken und reflektieren sowohl RADAR- als auch SONAR-Ziele die ankommenden Wellen. Diese Streuung ist jedoch nicht gleichmäßig – in den meisten Fällen wird ein starkes Echo des Bildes zum Signalgeber zurückgesendet, ähnlich wie ein glatter Spiegel Licht in Spiegelrichtung zurückwerfen kann. Die Stärke des zurückkommenden Signals ist auch charakteristisch für das Ziel und die Umgebung, in der die Systeme arbeiten. Da es sich um elektromagnetische Strahlung handelt, bewegen sich RADAR-Wellen mit Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre (in Luft). SONAR-Wellen (Kompressionswellen) bewegen sich im Wasser mit viel geringerer Geschwindigkeit – der Schallgeschwindigkeit – fort. Durch die Messung der Zeit, die die Signale benötigen, um zum Ziel zu gelangen und mit Echos zurückzukehren, können sowohl RADAR- als auch SONAR-Systeme die Entfernung zu ihren Zielen genau bestimmen.
In ihren jeweiligen Bereichen können sowohl RADAR als auch SONAR unter einer Vielzahl ungünstiger Bedingungen zuverlässig arbeiten und so die menschlichen Wahrnehmungsfähigkeiten erweitern.
Auswirkungen
Aufgrund des kriegsbedingten Erfolgs von RADAR suchten Wissenschaftler und Ingenieure schnell nach neuen Anwendungen für diese Systeme. Der Nutzen für die meteorologische Wissenschaft lag auf der Hand.
Die während des Ersten Weltkriegs entwickelte RADAR-Technologie hatte auch dramatische Auswirkungen auf die noch junge Wissenschaft der Radioastronomie. Während des Krieges stellte der britische Offizier J.S. Hey richtig fest, dass die Sonne eine starke Quelle für Radioübertragungen war. Hey entdeckte dies, als er die Ursachen für die systemweite Störung des britischen RADAR-Netzes untersuchte, die nicht auf feindliche Aktivitäten zurückgeführt werden konnte (Hey führte die Radioemissionen auf eine erhöhte Aktivität der Sonneneruptionen zurück). Obwohl sie während des Krieges geheim gehalten wurden, wurden die britischen RADAR-Installationen und -Technologien zu den Vorläufern moderner Radioteleskope, da sie das himmlische Hintergrundrauschen aufzeichneten und gleichzeitig nach verräterischen Anzeichen für feindliche Aktivitäten (z. B. V-2-Raketenangriffe) lauschten.
Die historische Würdigung der Entschlossenheit und der Auswirkungen von Churchills Zauberkrieg ist nach wie vor heiß umstritten. Churchill selbst beschrieb die Schlacht um Großbritannien als eine Schlacht, die weitgehend mit „Augen und Ohren“ entschieden und gewonnen wurde. Unbestritten ist jedoch, dass die von den Briten eingesetzten Fernerkundungsgeräte und RADAR-Netzwerke (Chain High und Chain Low genannt) es den britischen Befehlshabern ermöglichten, ihre unterlegenen und unbemannten Streitkräfte effektiver gegen die Luftangriffe der Nazis zu konzentrieren.
Der Zweite Weltkrieg führte zu konstruktiven Verbesserungen in der SONAR-Technologie, die die Grundlage für die Entwicklung nicht-invasiver medizinischer Verfahren wie Ultraschall in der letzten Hälfte des 20. Auf Schall- und elektromagnetischen Signalen basierende Fernerkundungstechnologien und -techniken wurden zu leistungsfähigen medizinischen Instrumenten, die es Ärzten ermöglichten, genaue Diagnosen mit einem Minimum an Beeinträchtigung des Patienten zu stellen.
Fernerkundungsinstrumente wie RADAR und SONAR ermöglichen es Wissenschaftlern, Geologen und Archäologen auch, die Topografie und den Untergrund der Erde und von Objekten im Sonnensystem zu kartieren. SONAR-Messungen führten zu Fortschritten in der Unterwasserseismografie, die die Kartierung des Meeresbodens und die Identifizierung von Mineral- und Energieressourcen ermöglichten.
RADAR-Systeme sind wichtige Bestandteile des modernen kommerziellen Flugnavigationssystems. Eine britische Erfindung aus dem Krieg, das IFF-RADAR (Identification Friend or Foe), das zur Identifizierung und eindeutigen Kennzeichnung von Flugzeugen eingesetzt wird, ist nach wie vor ein wichtiger Bestandteil des Flugsicherungssystems.
K. LEE LERNER
Weitere Literatur
Bücher
Cox, A.W. Sonar and Underwater Sound. Lexington, MA: Lexington Books, 1974.
Heppenheimer, T.A. Anti-Submarine Warfare: The Threat, The Strategy, The Solution. Arlington, VA: Pasha Publications Inc. 1989.
Holmes, J. Diagnostic Ultrasound: Historical Perspective. Mosby, 1974.
National Defense Research Committee. Principles and Applications of Underwater Sound. Washington, D.C., 1976.
Rowe, A. One Story of Radar. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1948.
Watson-Watt, R.A. Three Steps to Victory. Odhams Press, 1957.