Breve historia del radar (I): Christian Hülsmeyer, el primer ingeniero del radar

Una de las radioayudas que más han influido en la aviación es el radar. Este sistema ha incrementado la seguridad del vuelo en muchos aspectos. Ya sea basado en tierra o en el propio avión (radar meteorológico) el radar ha sido desde su implantación una de las herramientas fundamentales de controladores aéreos y pilotos. El radar se hizo mundialmente famoso como arma defensiva durante la Batalla de Inglaterra, pero su invención ya había ocurrido muchos años antes. Es cuando surge la duda y mucha gente suele preguntar a quién se le puede atribuir entonces la invención del radar.

La invención del radar no puede ser atribuida a ningún científico concreto, ni tampoco a un grupo de científicos o país determinado. El radar fue el resultado de una serie de descubrimientos en muchas disciplinas diferentes en varios países. El principio de funcionamiento del radar en realidad no es algo realmente nuevo o revolucionario inventado por los ingenieros del siglo XX, ya existía desde hacía mucho en la naturaleza. El murciélago sin ir más lejos emplea el principio del radar para evitar obstáculos y cazar a sus presas, le proporciona información sobre su medida, velocidad y dirección. Sin embargo, no transmite ondas electromagnéticas sino ultrasónicas a través de un órgano de voz desarrollado de manera específica y recibe sus ecos por medio de orejas similares a una antena. No es el único animal que utiliza la ecolocalización. Los delfines y los cachalotes tambien emplean un sistema similar.

Esquema de la ecolocalización. Emisión de ultrasonidos (en rojo) que alcanzan el objeto (en azul) y son reflejados en forma de eco (en verde), volviendo al murciélago, que calcula la distancia (r) en base al tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción. La dirección la deducen por la diferencia entre la llegada del eco al oído derecho y al izquierdo.

Las ondas electromagnéticas

El siglo XIX preparó el terreno teórico como condición previa para el surgimiento del radar cien años después. El gran científico inglés Michael Faraday en 1836 formuló, , de una manera poco formal, la teoría del campo eléctrico y magnético. La formalización matemática vendría en 1865 de la mano del gran matemático y físico escocés James C. Maxwell que estableció las ecuaciones fundamentales de la teoría de las ondas electromagnéticas. Debieron de pasar 23 años para que la exactitud de su teoría pudiera ser demostrada experimentalmente. El físico alemán Heinrich Hertz publicó en 1888 su trabajo fundamental "Über Strahlen elektrischer Kraft (Acerca de la radiación de la fuerza eléctrica)" en la Academia de Ciencias de Berlín. El documento describe las características básicas de las ondas electromagnéticas, su propagación, polarización, refracción y su capacidad de ser reflejada por estructuras metálicas. Esto último fue algo de gran importancia para la aplicación posterior en el radar.

El alemán Christian Hülsmeyer es considerado como el primer ingeniero de radar del mundo. Christian Hülsmeyer nació el 25 de diciembre de 1881 en Eydelstedt, en el norte de Alemania. Por sugerencia de su padre, comenzó su educación profesional en el Lehrerseminar en Bremen. Allí tuvo la oportunidad de conocer a un profesor, que le permitió usar el laboratorio de la escuela para sus experimentos con ondas electromagnéticas. El accidente de un barco en el río Weser en condiciones climáticas adversas donde viajaba un joven conocido de Hülsmeyer que perdió la vida en el siniestro le llevó a desarrollar finalmente su idea de utilizar los reflejos de las ondas electromagnéticas para poder tener un aviso de los posibles obstáculos que se pudieran dar en el curso de un barco. En 1899, solo un año después, Hülsmeyer se mudó a la compañía Siemens & Halske en Bremen. Allí desarrolló su idea y encontró financiación para fundar una empresa que se llamó "Telemobiloskop-Gesellschaft Hülsmeyer & Mannheim". En ese momento el novedoso invento pasó a conocerse como Telemobiloskop.

El 17 de mayo de 1904, cuando Hülsmeyer, contaba solo 22 años de edad, hizo una presentación en Colonia de su aparato, que era básicamente un transmisor y receptor de radio. La presentación estaba enfocada a representantes de logística y envíos de paquetería, empresas de transporte y reporteros de los periódicos locales. Al día siguiente, en el puente Hohenzollern que atraviesa el Rin, tuvo lugar una segunda demostración pública aún más impresionante. El Telemobiloskop apuntaba con sus antenas hacia el río y cada vez que pasaba un barco se escuchaba de manera clara una campana. 

 

En la imagen se puede ver el "Telemobiloscopio" que se encuentra en el Museo de la Ciencia y de la Técnica de Munich y que pude ver cuando vivía en esa ciudad.

Unas semanas más tarde, Hülsmeyer demostró con éxito el funcionamiento del Telemobiloskop a bordo del Columbus en la "Reunión técnica náutica" en Rotterdam (Países Bajos) frente a un público internacional. Logró detectar barcos a distancias de hasta 3 km. En ese momento la sociedad científica y técnica tomó nota de su invención. El 30 de abril de 1904, Hülsmeyer ya había presentado su invento en la Oficina de Patentes de Alemania en Munich con el título “Verfahren, um entfernte metallische Gegenstände mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden“ (Método para informar sobre objetos metálicos remotos a un observador por medio de ondas eléctricas). La siguiente patente del 10 de junio de 1904 tenía el título: "Aparato de proyección y recepción de ondas hertzianas adaptadas para indicar o advertir la presencia de un cuerpo metálico, como un barco o un tren, en la línea de proyección de dichas ondas".

El aparato de Hülsmeyer consistía en una antena de transmisión y recepción, un elemento que producía una chispa y actuaba como generador de radiofrecuencia y un dispositivo coherente como receptor. No tenemos idea a día de hoy sobre la frecuencia utilizada, pero debido al principio de generación, esta podría andar en un espectro de varios cientos de Megahercios. La interfaz completa se podía girar 360° en azimut de forma sincrónica con un dispositivo electromecánico que Hülsmeyer llamó Kompass.

 

Esta parte del Telemobiloskop indicaba la dirección de la que provenían las ondas reflejadas por un objeto. De esta forma, Hülsmeyer proporcionó la base para una técnica que vendría en llamarse algunos años después RADAR (Radio Detection and Range - Detección por Radio y Distancia). Hülsmeyer en un principio solo se centró en la detección y no en la distancia, pero se dio cuenta inmediatamente de esta posibilidad durante sus experimentos.  

En 1904 presentó una patente adicional titulada "Mejora en la proyección de ondas hertzianas y aparatos de recepción para localizar la posición de objetos metálicos distantes". Propuso dos métodos para medir los ángulos de elevación de las antenas del Telemobiloskop y para derivar la distancia de un objetivo.

Después de tantos esfuerzos y el gran trabajo realizado en la búsqueda inalámbrica de la detección y dirección de cuerpos, al final Hülsmeyer no logró convencer de forma clara a posibles usuarios y clientes militares o civiles para que apoyaran su invención. Además de carecer de interés por sus contemporáneos, Hülsmeyer se enfrentó con la novedad y el hecho de que las técnicas electrónicas todavía estaban en su infancia más absoluta a principios del siglo XX. 

Sus ideas fueron, como las de muchos otros inventores en la historia, muy por delante de sus tiempos. Hülsmeyer terminó su trabajo decepcionado en este campo y dirigió todos sus esfuerzos a otras áreas técnicas. Se acabó convirtiendo en un exitoso hombre de negocios que presentó una gran cantidad de patentes sobre diversos temas. El 31 de enero de 1957, murió en Ahrweiler, cerca de Bonn.

Los años 30, de la detección acústica a la radioeléctrica

Siempre se ha considerado que nuestra guerra civil fue un ensayo de la que luego sería la Segunda Guerra Mundial. Durante la Guerra Civil Española quedó demostrado, entre otras muchas cosas, que el arma más poderosa de principios de los años 1930 era sin duda el bombardero. Los alemanes habían desarrollado un armamento, unos aviones y unas tácticas que hacían muy difícil poder defenderse de un ataque masivo bien coordinado. Para contrarrestar la amenaza, se iniciaron diversos estudios por parte de Francia e Inglaterra. 

En el Reino Unido se llevó a cabo una serie de ejercicios militares para probar la defensa de Londres llegando a una desoladora respuesta. No había defensa posible. El primer ministro británico, Stanley Baldwin, dándose cuenta de las limitaciones de los cazas de entonces, en 1932 ya había alertado de que "no hay poder sobre la Tierra que nos pueda proteger del bombardeo aéreo. Sea lo que sea lo que se diga, el bombardero siempre pasará." Ante este hecho irrefutable, los países amenazados se vieron ante la disyuntiva de desarrollar un rearme que incluyera escuadrones de bombarderos de características similares a las del enemigo potencial para disuadirle de atacar, o bien se llevaba a cabo un desarme general. Gran Bretaña optó por el desarme y el apaciguamiento. Adolfo Hitler se creció ante la inacción y de esta manera se acabó fraguando la IIGM.

Por otra parte, en los años 20 y gracias a Nikola Tesla, se había popularizado el concepto del rayo de la muerte en muchas versiones: podía causar incapacidad física, mental o de otro tipo, y aun la muerte. En un sinnúmero de cuentos, de tiras cómicas y de películas, se presentaron rayos desintegradores, rayos caloríficos, rayos que aturdían, etc., cuya popularidad se basaba, en parte, en la creencia de que había más verdad que fantasía en los dispositivos que los producían; sin embargo, no tenían fundamento científico alguno. Muchas personas clamaban haber inventado un rayo de esas características. 

El Ministerio del Aire británico se llegó a interesar en el tema y ofreció una recompensa de mil libras esterlinas al que inventara un dispositivo que pasara la prueba científica desarrollada por expertos. Por supuesto nadie ganó el premio. Los rayos catódicos, ya se habían descubierto hacía tiempo. Estos rayos si eran reales y había multitud de experimentos que los confirmaban como electrones en movimiento que se emiten desde una placa metálica al ser calentada. Sin embargo, un haz de estas partículas elementales no tenía las consecuencias que se asignan popularmente al rayo de la muerte. Sin embargo, un pequeño grupo dentro del Ministerio del Aire Británico se preocupó por esta situación de indefensión contra un ataque aéreo y se creó un centro científico para investigar la forma de mejorar las defensas aéreas de la capital inglesa. Durante la IGM ya se habían desarrollado sistemas de detección acústica como el que se puede ver en le foto de debajo. El sistema era muy aparatoso y en realidad tan rudimentario que no difería mucho del principio de funcionamiento de la "trompetilla de la abuela", excepto por el tamaño y la movilidad.

Con la tecnología de los años 30 enseguida se vio que los antiguos sistemas acústicos puros podían ser mejorados amplificando la señal por medios radioeléctricos. Debajo, por ejemplo, se puede ver Un localizador acústico de cuatro trompetillas utilizado en Inglaterra, en la década de 1930. Hay tres operadores, dos con estetoscopios conectados a pares de bocinas para escuchar en estéreo. Con este sistema se podían localizar aviones atacantes a una distancia de entre 5 y 12 km dependiendo de las condiciones meteorológicas, de las habilidades de los operadores y del tamaño del avión atacante. Con esta información se podía precisar la dirección del bombardero atacante con un error de más menos 2º.

El sistema no resultó satisfactorio en términos generales y ello fue debido principalmente a la poca precisión y la casi nula detección a larga distancia. Además, este sistema no era funcional ya que en muchas ocasiones no podía distinguir entre el ruido producido por el atacante y otros sonidos, automóviles, animales, etcétera. El centro de investigación del Ministerio del Aire siguió investigando y analizó todo tipo de propuestas, en particular revisó la bibliografía existente al respecto, pero no encontró nada que le sirviera. Finalmente, el ingeniero aeronáutico H. E. Wimperis, jefe de Investigación Científica e Industrial del Ministerio, llamó al doctor Robert Watson Watt, físico y director del Laboratorio de Investigación de Radio y le preguntó sobre la posibilidad de desarrollar algún tipo de haz radioeléctrico parecido al rayo de la muerte. En realidad, Wimperis no deseaba matar a nadie con el rayo. De lo que se trataba fundamentalmente era de poner fuera de combate al avión enemigo y que este no pudiera llevar a cabo su misión de bombardeo.

Watson Watt regresó a su laboratorio y planteó el siguiente problema al doctor Arnold Wilkins, también físico y ayudante suyo: calcule usted la cantidad de potencia de radiofrecuencia (la que emiten los aparatos de radio) necesaria para radiar y elevar la temperatura de 4 litros de agua de 35,5° C a 41°C a una distancia de 5 km y a una altura de 1 kilómetro. Se quería saber la posibilidad real de enviar un haz que contuviese suficiente energía y que una vez enviado al cuerpo del piloto del avión bombardero este pudiera "hacer hervir su sangre". Como lo escribió el propio Wilkins: Mi cálculo mostró que, como era de esperar, se necesitaba generar una cantidad de potencia enorme a cualquier frecuencia de radio para producir fiebre en el cuerpo de un piloto de avión, aun en el improbable caso de que su cuerpo no estuviera protegido por el metal del fuselaje [...]

En aquella época nada podía producir la potencia requerida, así que estaba claro que no era factible el desarrollo de un "rayo de la muerte" por medio de ondas de radio. Wilkins le entregó a Watson Watt los cálculos y este respondió, "Bien, si un rayo de la muerte no es posible, ¿cómo podemos entonces ayudar a la defensa del país?" Fue entonces cuando Wilkins recordó que los ingenieros de la Oficina de Correos se habían dado cuenta de perturbaciones en la recepción de muy altas frecuencias cuando algún avión volaba en la vecindad de sus receptores. Wilkins entonces pensó que este fenómeno podría ser útil para detectar aviones enemigos. Y de esta manera, con esta observación, hecha en enero de 1935, se dio lugar al inicio de una serie de investigaciones técnicas que culminaron con la invención del radar como arma defensiva.