Az első mikrohullámú kísérletek. A Bay-csoport.

Magyarország mikor belépett a II. világháborúba, nagyon valószínűvé vált, hogy bombatámadások fogják érni. Ezért döntött úgy a Hadi Műszaki Tanács javaslatára a Honvédelmi Minisztérium, hogy mikrohullámú kísérleteket kell végezni. Ennek kettős célja is volt, egyrészt a mikrohullámú hírközlés, másrészt a repülőgépeknek mikrohullámú felderítése és helyzetmeghatározása. A Haditechnikai Intézet tudott mindkét problémáról, de pontosabb adatokkal, kutatási eredményekkel, módszerekkel nem rendelkeztek, mivel a németek hadi titokként kezelték azokat és még szövetségeseiknek se árulták el. Bay Zoltán (fentebb) és társai viszont 1942 elejéig - a németektől függetlenül - tudtak a mikrohullámú hírközlés problémáiról a hozzájuk érkező amerikai folyóiratokból. Innen tudták azt is, hogy az USA-ban kifejlesztés alatt áll egy radio locator nevű eszköz repülőgépek felderítésére, amire 118 millió dollár van előirányozva, de a mérési eljárást titokban tartották.

Ilyen körülmények között döntött úgy a Honvédelmi Minisztérium, hogy kötelezi az Egyesült Izzó Kutatólaboratóriumát a mikrohullámú kísérletek elvégzésére, teljes titoktartás mellett és az összes költséget fedezve. Megszerveztek egy Bay-csoportot, mely 10 akadémikus-kutatóból, és kb. 30 elektronikus műszerészből állt. A csoportba bekerült még a műegyetemi Atomfizika Tanszék két tanérsegéde, Papp György, Simonyi Károly, s két mérnök Winter Ernő (a mikrohullámú csövek kifejlesztése) és Dallos György (a mikrohullámú vevőkörökben volt járatos). A németek annak ellenére, hogy egy oldalon harcoltak a magyarokkal a háborúban, elég titokzatosak voltak, és semmiféle segítséget nem adtak a kisérletek megkezdéséhez. Bay-t - civil lévén - katonai titoktartásra hivatkozva nem engedték, hogy részt vehessen a berlini vizsgálatokban. Igy mindent maguktól kellett felfedezni és kitalálni, amit a világ más részén már rég alkalmaztak, csak titokban tartották és nem hozták a többi kutatócsoport tudomására.

Először is a mikrohullámú rezgésgerjesztés ügyében kellett dönteni. Mivel nem volt elég pénz, így meg kellett elégedniük a kb. félméteres hullámokkal, szemben az USA-ban „használt” centi- és deciméteres nagyságrendűekkel. Winter Ernő és Budencsevits Andor a félméteres hullámok keltésére létrehoztak egy triódás adócsövet (EC 102), mely 50-60 centiméteren 2 watt nagyfrekvenciás teljesítményre volt képes. Ez a cső már alkalmas volt a mikrohullámú híradástechnika alapkísérleteinek elvégzésére. Az adó-vevő először az újpesti üveggyár tornya és a Naszály hegy között hidalt át mintegy 30 km távolságot. A későbbi terepkísérletekben 50-100 milliwatt teljesítménnyel 100 kilométeres hatótávolságig jutottak el. Ezzel a Bay-csoport munkája a távbeszélés kísérletezésében lezárult.

Radarkísérletek

A rádiólokátor mai elnevezése: radar, ami a Radio Detection and Ranging rövidítése.

A rádióhullámok visszaverődése révén véghezvitt távolságmérés elve már az 1920-as évek óta ismeretes volt az ionoszféra-kutatásban. Kétféle elvet alkalmaztak:

1. Impulzus-módszer (Breit és Tuve, 1926 ): T időközökben ismételve t időtartamú impulzusokat küldünk ki. Ha a visszavert impulzusok t időkéséssel érkeznek vissza, akkor a visszaverődés távolsága s=(1/2)*c*t, ahol c a rádióhullámok (fény) terjedési sebessége.
2. A frekvencia-moduláció módszere (Appleton és Barnett, 1925): Az adás frekvenciáját T időközökig tartó, dv/dt=const sebességgel fűrészfogszerűen moduláljuk. Ha a visszavert hullám t időkéséssel érkezik, a kimenő frekvenciához képest t dv/dt lebegést mutat, melynek megmérésével t, tehát s meghatározható.

A visszavert jelek észlelése az ionoszféra-kutatásban viszonylag könnyű feladat a rétegek nagy kiterjedése és nagy visszaverő képessége folytán. A kis látószögű repülőgépek felderítésében a visszavert energia kicsiny, így nehezebb bemérni őket. Dallos György továbbfejlesztette a triódás csöveket, és egy közbenső adócső-típust (EC 103) ép&ített 1-2 kilowatt csúcsteljesítménnyel. Így félévvel a munka elkezdése után már észlelhették az első radar-jeleket.

1943 folyamán további fejlesztések is történtek:

• adókészülék a mikrohullámú rezgőkörökkel (Szepesi Zoltán)
• impulzusgenerátor (Papp György, Sólyi Antal, Magó Kálmán)
• adócső és a keverő diódák (Winter Ernő, Budencsevits Andor)
• vevőkészülék (Dallos György)
• katódsugárcső áramkörei (Papp György, Magó Kálmán)
• parabolikus reflektor és az iránymérés (Simonyi Károly)

Mivel a fejlesztések ennyire előrehaladottak voltak, így 1944 elején szóba kerülhetett egy mikrohullámú radar-típus gyakorlati kialakítása.

A Holdvisszhang gondolata

„Meg fogjuk lokátorozni a Holdat!”

Ezen a kijelentésen felbuzdulva kezdett hozzá Bay Zoltán, Papp György és Simonyi Károly 1944.márciusának elején a részletes Holdradar-számításoknak. Viszont a Hold túl messze van, kb 400 ezer km-re, ami kb. 10-nek a 15-16.hatványával csökkenti az esélyeket a földi radarhoz képest. Viszont nem adták fel a tervet, és mivel úgysem pontos távolságméréseket akarnak végezni, így viszonylag hosszú impulzusokkal dolgozhattak, ami az adótól ráadásul kisebb csúcsteljesítményt kiván. De felvetődött két kérdés, melyeket a kísérletek révén akartak megválaszolni:

1. kijutnak-e a mikrohullámok a világűrbe
2. mekkora a Hold visszaverő képessége (r) mikrohullámokon

Feltételezték egyrészt, hogy r=1/10, ami a földfelület visszaverő képességének nagyságrendje, másrészt azt, hogy az 1 méter körüli mikrohullámok az ionoszféra-rétegeken és a Föld- Hold közötti tér kicsiny plazmasűrűségén akadálytalanul haladnak át, harmadrészt pedig azt, hogy a Holdról visszavert energia a térben egyenletesen szóródik szét.

A rendelkezésre álló adási energiát és parabola-reflektort figyelembe véve a számítások azt jósolták, hogy mérhető jel/zaj viszony kapható, ha az impulzus időtartama 0.05 sec és a vevő sávszélessége 20 Hz. Különböző nehézségeket áthidalva végül a Holdradar jel/zaj viszonya kb. 1/10-re volt várható. De még mindig egy nagyságrenddel maradtak el a „céltól”. Ekkor jött az ötlet Baytól, hogy a jeleket összegezni és ismételni kéne, ami végül is meghozta a sikert.

A Holdnál az oda-vissza futás ideje 2.5 másodperc, tehát ha 3 másodpercenként 1 jelet küldünk ki és a visszavert jeleket összegezni akarjuk, akkor 100 jel esetén a jeleket 5 percig, 1000 jel esetén pedig 50 percig kell megőrizni. Ha a jeleket 50 percig veszteség nélkül akarjuk megőrizni és összegezni, akkor a kumuláló szerv időállandója több órás kell legyen. Sajnos abban az időben még nem rendelkezett az elektronika ezen feladat megoldására alkalmas „memória”-műszerekkel. Végül is a csoport a hidrogén voltaméter mellett döntött, melyben az áram hatására kivált hidrogéngáz vékony kapillárisban a folyadék-meniszkuszt az áramintegrállal arányosan tolja el.

A további terv: Egymás után össze kell kötni 10 voltamétert (balra) a vevőkészülék kimenő fokozatával, az adóimpulzussal szinkronizált időrendben. A 10 voltaméter közös anóddal egy üvegedényben van összeépitve, s az adás és vétel kapcsolásait egy forgó kapcsoló végzi. A kapcsoló forgásideje 3 másodperc.

Így mindegyik voltaméter az adóimpulzus után meghatározott időpontban kerül bekapcsolásra. Az időskála így definiálva van. A jel, mely a Holdról visszajön, mindig ugyanarra a voltaméterre esik, s ott összegezést nyer. Ugyanabban a voltaméterben a zaj (áramingadozás) pozitív és negatív előjelű, tehát statisztikusan átlagolódik. A többi voltaméter csupán a zajt észleli, így a kísérlet „zéró-vonal”-át adja, melynek statisztikus ingadozása a kísérlet zajának mértéke.

A valószínűségszámitás szerint N impulzus vétele esetén a zaj sqrt(N)-szeresen növekszik. A jel ezzel szemben lineárisan nő, azaz N-szeres lesz. Így N kisérlet összegeként a jel/zaj viszonya sqrt(N)-szeresen javul. Tehát 1000 impulzus észlelése közben (50 percig tartó kísérlet) a vevőkészülék eredeti, egy tized jel/zaj viszonya 30-szorosan javul, azaz a jel mérhető módon a zavarnívó fölé emelkedik. Megjegyzés: a jel összegzésének és a zaj relatív csökkentésének ezen módszere ma már általános a radarcsillagászatban.

Az elvek tisztázása után hozzákezdtek a voltaméter-kisérletekhez Budincsevits Andor tervei alapján. Ugyancsak ő tervezte meg a forgó kapcsolót (jobbra) is.

A nógrádi kísérletek

Mivel a háború, a német megszállás az országra bombatámadásokat hozott, ezért a Honvédelmi Minisztérium 1944.júniusában a Bay-csoportot Nógrádverőcén egy penzióban szállásolta el, melynek kertjében felállították az ágyútalpra szerelt reflektort.

A nyár folyamán jól haladt az adó és vevő készülékek kifinomitása és a földi radarhoz szükséges katódsugár-körök kifejlesztése. Igy augusztus végén, szeptember elején néhány aktuális, Hold felé irányitott adást próbálhattak ki a fizikusok. Ezek sikertelenek maradtak, mivel az összes készülék nem „birt” 50 percig zavartalanul dolgozni. Elég volt ha csak az egyik nem működött jól, a kisérlet máris leakadt, meg persze az is baj volt, hogy nem volt kielégitő az áramszolgáltatás.

Szeptember végén a hadvezetőség visszarendelte a laboratóriumot Újpestre. A nyilas uralom miatt pedig már komoly munkát sem lehetett végezni.

Az újabb Holdvisszhang-próbálkozások

A bombázások megszűntével a csoport tagjai visszaszállingóztak, s 1945.februárjának végén újrakezdhették a holdradar felállitását. De hamarosan az Izzó leszerelésre került, és így a kísérlet eszközei is elvesztek.

1945 nyarán hozzákezdtek egy új radarkészülék tervezéséhez. A félméteres hullámhosszon dolgozó berendezés tervét el kellett vetniük, mert sem a mikrohullámú csövek, sem a parabola-reflektorok nem álltak többé rendelkezésükre. Sikerült szerezni egy hadi felderítésre szolgáló radart, mely 2.5 méteres hullámhosszon dolgozott. Ez viszont 25-szörös veszteséget jelentett 5-szörösen nagyobb hullámhossza miatt. De ezt a veszteséget részben ki lehetett egyenlíteni nagyobb antennafelület alkalmazásával. E kis korrekcióval már úgy vélték, sikerülni fog a kisérlet.

A sikeres kisérletek

Készítettek egy 6X8 cm2 kiterjedésű vaskeretet, mely masszív forgó állványon van elhelyezve, úgy, hogy magassági szöge is változtatható. A kereten 36 dipólantenna foglalt helyet. A radart (jobbra) a Kutató Kaboratórium tetején, a műszereket pedig a labor 2.emeletén a radar alatti 2 szobában helyezték el. (tervrajz balra) Az egyik szobában elektromosan árnyékolt ketrecben tartották a berendezés legérzékenyebb részét: a vevő végerősitő fokozatait és a voltamétereket a forgó kapcsolóval.

Az adóimpulzus időtartama a forgó kapcsoló által szabályozva 0.06 sec, a csúcsteljesitmény 3-4 kw volt. Az impulzus 3 másodpercenként ismétlődött. Az időskálát a váltóáram 50 periódusára alapitott szinkron motor adta. A vevő nagyfrekvenciás részének sávszélessége 200 kHz, mely elegendő nagy, hogy az adó frekvenciaingadozásait átfogja. A detektálás utáni körök effektiv sávszélessége kb. 20 Hz, ami elegendő ahhoz, hogy az adóimpulzus Fourier-sprektrumait átfogja.

A forgó kapcsoló vezérelte az adóimpulzusok kibocsátását, utána az egyes voltamétereknek sorrendben a vevő kimenő fokozatára kapcsolását. Emellett a forgó kapcsoló immunizálta a vevőt arra az időre, míg a nagy adási energia feszültségi hullámokat nem hoz létre a környezetben, melyek az egyes körök munkapontjait nem kívánt hosszú időre elláthatnák. A forgó kapcsoló ezt a műveletet (a csoport tagjai „döglesztésnek” nevezték) külön beépített szegmensekkel és mágneses relékkel végezte.

A berendezés 1945.december végére összeállt, s a kísérletek megindulhattak. Közben a kutatócsoport lelkes fiatalokkal bővült, s visszatért Simonyi Károly is a hadifogságból. A kísérletek főleg éjszaka folytak, mert az Elektromos Izzó napközben elektromosan „bezavart”. Az antenna irányát állandóan korrigálták, a szabadsághegyi Csillagda adatai alapján számitották ki a Hold égi koordinátáit. Minden kisérlet 30-50 percig tartott, melyet egy vakpróba egészitett ki. Ez azt jelentette, hogy nem a Hold felé irányították a radart. A kísérleteket Papp György, Simonyi Károly vezetésével Pócza Jenő, Bodó Zalán, Csiki Jenő, Tary László, Takács Lajos, Horváth Tibor és Bay Zoltán végezték. Sok kisérlet fulladt kudarcba amiatt, mert nehéz volt a berendezés különálló részeinek zavartalan együttműködését biztositani.

Január vége felé egyre bíztatóbb kísérletsorozatokat kaptak, s végül február 6.-án jutottak el odáig, hogy a jelösszegzés a jelet a zavarnívó fölé emelte.

A vakkísérletek mellett Papp György egy ellenőrző eljárást is kidolgozott, melyet műholdnak nevezett. Az erősítő végfokozatára ismert, a zaj egységeiben kalibrált jelet vitt rá, mely egy kiválasztott voltaméterre került. A jel az összegzés után úgy jelentkezett, mint egy Holdról visszavert jel. Ilyen mérések azt mutatták, hogy a Holdról visszajövő jel (összegzés nélkül) az erősítő zajának kb. egytizede, ami megfelelt a várakozásoknak.

A kísérleteket 1946 tavaszán többször megismételve arra a következtetésekre jutottak, hogy :

1. a 2.5 méter hullámhosszú jelek kijutnak a világűrbe
2. a Hold reflektáló képessége r=1/10 nagyságrendben van.

Néhány héttel azelőtt, hogy a kísérlet sikerét biztosra vették volna, egy hír látott napvilágot. 1946.január 10-én sikeres holdradar-kísérletet hajtottak végre New Jerseyben. A kisérlet részletes ismertetését idehaza is olvashatták Bay Zoltánék, és rá kellett jönniük, hogy bizony az ő berendezéseik kicsit el vannak maradva az amerikaiakétól. Nem elég, hogy sokkal bonyolultabb és kifejlettebb volt, de még a Hold-Föld relativ mozgásából származó Doppler-effektust is ki tudta egyenliteni, és egyben biztosítani tudta a frekvencia állandóságát.

Mikor e hír napvilágot látott Bay Zoltán is értesítette a sajtót a kísérletükről. Az érdeklődés óriási volt, s még aznap este (február 7-én) sajtótájékoztatót tartottak az Egyesült Izzóban.

A következő évben Bay Zoltán az USA-ban járva meglátogatta a radarkísérleteket végző laboratóriumot. Látva a fejlett, költséges berendezéseket, rájött, ezekkel nem lehet versenyezni s elállt a további kísérletek folytatásától. Annak ellenére, hogy Szentgyörgyi Albert próbálta rábeszélni a folytatásra, hisz tervét a Természettudományi Akadémia is támogatta volna. A terv szerint egy óriási antennafelületet lehetne nyerni, ha a földbe üreget ásunk és a gödör felületét fémhálóval vagy fémlemezzel burkoljuk. Ma már kivitelezték ezt az ötletet, a világ legnagyobb mikrohullámú reflektora, a 300 méteres Arecibo-tányér (balra), Puerto Ricoban található.

A radarcsillagászat

Bár sem a Bay-csoport, sem az amerikaiak nem folytatta a Földről kívülre irányuló radar-kísérleteket, de ezen kísérletek hatására óriási fejlődésnek indult egy új ág a csillagászatban, a radarcsillagászat. Nagy csillagászati radarberendezések épültek a világ több országában (USA, Anglia. Ausztrália, Szovjetunió, Kanada)