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Über Echos und Wellen

Es ist historisch verbürgt: Ein deutscher Ingenieur fand das Prinzip. Inzwischen gehören Radargeräte zum Alltag. Wie es geht - und weshalb Radar und Nebelhorn vieles gemeinsam haben - lesen Sie bei uns.

Wir schreiben den 18. Mai des Jahres 1904: Auf der Hohenzollernbrücke in Köln steht ein 22-jähriger Ingenieur, umgeben von Pressevertretern und Marineoffizieren. Die geheimnisvolle Apparatur vor ihm, mit viel Kabelgewirr, zieht alle Blicke auf sich. Als der erste Dampfer langsam den Rhein hinunter kommt, signalisiert das Gerät die Annäherung auf knapp drei Kilometer durch den Morgendunst. Telemobiloscop nennt Christian Hülsmeyer, so der Name des jungen Mannes, seinen Kasten. "Verfahren, um entfernte metallische Gegenstände mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden," lautet der Titel der Patentschrift, die er kurz zuvor - am 30. April 1904 - beim Kaiserlichen Patentamt in München hinterlegte.

Nebelhörner reichen weiter
Das Radar - eine deutsche Erfindung? Ohne Zweifel ist es an dem. Nur: Die Entwicklung zur Praxisreife blieb anderen vorbehalten. Hülsmeyer nämlich scheiterte, an den Herren von der Marine vor allem, die leider Skepsis zeigten: Schließlich habe man ja Nebelhörner, die viel weiter reichten als des jungen Mannes störanfällige Technik. Also blieb das Patent in der Schublade - zu früh gekommene Idee.

Ohne Röhren und Dioden
Nicht bloß Ignoranz und Konservatismus waren daran schuld. Röhren und Dioden, die Hülsmeyer gebraucht hätte, um seinem Ur-Radar mehr Leistung und Flexibilität zu geben, nahmen gerade erst in den Köpfen anderer Erfinder Gestalt an. In den Lexika verewigte sich, an Hülsmeyers Stelle, seit 1935 ein Engländer: Robert Wattson-Watt, mit dem technischen Fortschritt und der finanziellen Unterstützung seiner Regierung im Rücken, gilt als Vater jener Messtechnik, die seither mit der Abkürzung Radar bezeichnet wird: für Radio Detection and Ranging.

Einem Echo ähnlich
Übrigens ist die Assoziation Nebelhorn gar nicht so schlecht, will man das Prinzip des Radars verstehen. Stellen wir uns einfach ein Nebelhorn mit Echo vor. Der ausgestoßene Ton wird an einem genügend großen Objekt, zum Beispiel an einer Steilküste, reflektiert. Mit der Stoppuhr in der Hand kann der aufmerksame Lauscher die Entfernung zum Objekt leicht messen, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in Luft (330 Meter pro Sekunde) doch bekannt. Natürlich fällt diese Art der Messung ziemlich ungenau aus.

Übertrifft Schallwellen
Viel besser als Schallwellen eignen sich elektromagnetische Wellen (Radiowellen) zum Ermitteln von Objekten und Entfernungen. Schon ihre Reichweite, um 500 Kilometer, übertrifft die von Schallwellen beträchtlich. Was gebraucht wird, ist nur ein hinreichend starker Sender (das "Nebelhorn"), ein Empfänger ("Ohr"), der die vom Objekt reflektierten Wellen, das Echo, registriert, und ein geeignetes Anzeigegerät. Konstante in der Berechnung ist nicht die Geschwindigkeit des Schalls, sondern die des Lichts.

Aus den erwähnten drei Grundelementen besteht noch heute das übliche Pulsradar: Parabolreflektoren bündeln die vom Sender ausgehenden Wellen keulenförmig und richten sie auf das abzutastende Gebiet. Echos der im Gebiet befindlichen Gegenstände gelangen zur Empfangsantenne, werden im Empfänger verstärkt und als Punkte auf einem Leuchtschirm dargestellt. Dabei schickt der Sender nur kurze Pulse von Wellen in den Raum, etwa in der Dauer einer Mikrosekunde. Während der längeren Pausen läuft das reflektierte Signal zum Empfänger zurück; der zeitliche Abstand zwischen Puls und Empfang ist dann Maß für die Entfernung.

Erheblich trickreicher arbeiten Radargeräte, die sogar Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung von angepeilten Objekten feststellen können. Dabei hilft der so genannte Doppler-Effekt. Den kennt eigentlich jeder, der einmal auf der Autobahn ein schnell vorbeifahrendes, lautes Fahrzeug gehört hat.

Hohe und tiefe Töne
Nähert sich das Fahrzeug dem Standpunkt des Lauschers, gelangen eher hohe Töne ans Trommelfell, entfernt es sich wieder, klingen die Töne tiefer. Die Ursache: Bei Annäherung werden Schallwellen relativ zum Empfänger gestaucht, sind hochfrequenter, erzeugen also ein höheres Geräusch. Mit schnell wieder größerer Entfernung werden sie gedehnt, und kommen als langwellige, tiefe Töne ans Ohr.

Nur eine Gewitterwolke
Vergleicht der Radarbeobachter, der es natürlich mit elektromagnetischen Wellen zu tun hat, nun die Frequenz seiner gesendeten Wellen mit der Frequenz der reflektierten Pulse, kann er daraus auf Bewegungsrichtung und Bewegungstempo des reflektierenden Gegenstandes schließen. Rasch bewegte Ziele, etwa Flugzeuge, lassen sich so von mehr feststehenden Zielen, zum Beispiel Gewitterwolken, unterscheiden.

Prinzip der Flitzer-Blitzer
Dies ist ganz nebenbei auch das Prinzip der Flitzer-Blitzer auf unseren Straßen. Das berühmte Foto entsteht aber erst dann, wenn drei Messungen hohe Frequenzdifferenzen ergeben. Kurzes, radikales Bremsen auf der Strecke kann solche Geräte austricksen.

Freilich hat weniger die Verkehrspolizei, eher das Militär die Entwicklung des Radars vorangetrieben. Von Hülsmeyers simplem Dauerstrichradar - es sendet statt kurzer Pulse eine anhaltende Sequenz - über das Pulsradar bis zur Anzeige von Richtung, Tempo und Art des Objekts führte der Weg.

Große Artenvielfalt
Bodenfolgeradar, Luftaufklärungsradar, Feuerleitradar - die Artenvielfalt ist groß. Ihr gemeinsames Merkmal: Es geht immer um aktives Radar, das heißt, der eigens erzeugte Sendepuls ist nötig, um Reflektionen zu erhalten. Jener Sendepuls macht Radaranlagen aber verwundbar, verrät er doch ihren Ort. Kann es auch anders sein?

Michael Schmittbetz (28.04.2004)