Trước radar, bầu trời đêm gần như là vùng mù. Người ta nghe tiếng động cơ, nhìn bằng ống nhòm, dùng gương âm thanh để đoán hướng máy bay, nhưng tất cả đều chậm trước oanh tạc cơ ngày càng nhanh. Radar thay đổi điều đó bằng ý tưởng đơn giản: phát sóng vô tuyến, chờ tín hiệu dội lại và tính vị trí vật thể. Từ nỗi lo phòng không, nó thành một công nghệ định hình thế kỷ 20.

Từ phản xạ sóng Hertz đến chiếc Telemobiloscope

Nền tảng vật lý đến từ thế kỷ 19, khi Heinrich Hertz chứng minh sóng điện từ tồn tại và có thể phản xạ khỏi bề mặt kim loại. Năm 1904, kỹ sư Đức Christian Hülsmeyer trình diễn Telemobiloscope, thiết bị dùng tiếng vọng vô tuyến để phát hiện tàu trong sương mù nhằm tránh va chạm. Theo IEEE Spectrum, buổi trình diễn đầu tiên diễn ra tại Cologne ngày 17 tháng 5 năm 1904; thiết bị có thể rung chuông khi phát hiện vật kim loại, nhưng chưa đo được khoảng cách một cách thực dụng.

Telemobiloscope giống một lời tiên tri hơn sản phẩm hoàn chỉnh. Hải quân chưa quan tâm đủ, công nghệ phát và thu còn thô sơ, và thế giới chưa chịu áp lực từ trên không đủ lớn để ép radar trưởng thành. Phải đến thập niên 1930, khi máy bay ném bom thành nỗi ám ảnh của các thủ đô châu Âu, bài toán “nhìn xuyên khoảng tối” mới có ngân sách và sự khẩn cấp.

Watson-Watt, Chain Home và trận không chiến nước Anh

Năm 1935, giới chức Anh từng hỏi về khả năng chế tạo “tia tử thần” bằng sóng vô tuyến. Robert Watson-Watt và Arnold Wilkins tính toán cho thấy ý tưởng đó không khả thi, nhưng họ đề xuất hướng khác: dùng sóng vô tuyến để phát hiện máy bay. Trong thí nghiệm Daventry ngày 26 tháng 2 năm 1935, một máy bay ném bom bay gần đài phát BBC đủ mạnh đã làm tín hiệu thu được dao động, chứng tỏ thân máy bay phản xạ sóng vô tuyến. Watson-Watt nhận bằng sáng chế vào tháng 4 năm 1935, và chương trình radar Anh tăng tốc nhanh chóng.

Hệ quả là Chain Home — chuỗi trạm radar dọc bờ biển Anh với tháp ăng-ten cao, dùng bước sóng dài khoảng hơn chục mét. Nó cho cảnh báo sớm hơn là hình ảnh chính xác. Nhưng trong Trận chiến nước Anh năm 1940, cảnh báo sớm là thứ quý nhất. Kết hợp với phòng lọc thông tin, đài chỉ huy và mạng quan sát mặt đất, Chain Home giúp Không quân Hoàng gia biết khi nào cất cánh, theo hướng nào, thay vì bay tuần tra mù quáng.

Magnetron khoang: bước nhảy từ tháp khổng lồ lên máy bay

Giới hạn của Chain Home là bước sóng dài, ăng-ten lớn và độ phân giải hạn chế. Bước ngoặt đến đầu năm 1940 khi Harry Boot và John Randall tại Đại học Birmingham phát triển magnetron khoang cộng hưởng, tạo vi sóng công suất cao ở bước sóng khoảng 10 cm. Sóng ngắn hơn cho phép ăng-ten nhỏ hơn và “bức tranh” mục tiêu chi tiết hơn; radar có thể đặt lên máy bay, tàu chiến và các hệ thống điều khiển hỏa lực gọn hơn nhiều.

Anh không đủ năng lực sản xuất ở quy mô cần thiết trong chiến tranh, nên magnetron khoang được đưa sang Mỹ qua Phái đoàn Tizard năm 1940. Tại Phòng thí nghiệm Bức xạ của MIT, hàng nghìn nhà khoa học và kỹ sư biến nó thành nhiều hệ radar thực chiến. Nguyên lý đo khoảng cách vẫn thanh lịch: nếu biết sóng đi với vận tốc ánh sáng, thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận tiếng vọng cho ra quãng đường khứ hồi; chia đôi sẽ được khoảng cách tới mục tiêu. Hướng ăng-ten cho phương vị, còn dịch tần Doppler về sau giúp đo tốc độ.

Di sản dân sự của một công nghệ chiến tranh

Sau chiến tranh, radar rời tháp canh và bước vào đời sống. Kiểm soát không lưu dùng radar để giữ khoảng cách an toàn giữa các chuyến bay. Tàu biển dùng radar để định vị trong sương mù. Radar thời tiết Doppler theo dõi bão, dông và gió đứt. Súng bắn tốc độ của cảnh sát dựa trên hiệu ứng Doppler để ước tính vận tốc xe. Radar còn phục vụ viễn thám, địa chất, thiên văn và theo dõi vệ tinh.

Di sản bất ngờ nhất nằm trong bếp. Magnetron — trái tim của nhiều radar chiến tranh — cũng tạo vi sóng để nấu ăn. Smithsonian kể rằng Percy Spencer nhận thấy thanh kẹo trong túi chảy khi làm việc gần magnetron, rồi thử với ngô và trứng trước khi Raytheon nộp bằng sáng chế năm 1945. Mẫu lò thương mại đầu tiên tên là Radarange, tự nó đã kể lại nguồn gốc: từ radar quân sự đến căn bếp gia đình.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Thí nghiệm Daventry năm 1935 dùng đài phát BBC mạnh làm nguồn sóng và phát hiện máy bay nhờ phản xạ.
  • Telemobiloscope của Hülsmeyer năm 1904 chỉ cảnh báo có vật thể gần đó; nó chưa phải radar đo xa hoàn chỉnh như các hệ sau này.
  • Magnetron khoang giúp Percy Spencer tăng sản lượng tại Raytheon từ mức rất thấp lên hàng nghìn chiếc mỗi ngày trong chiến tranh, theo Smithsonian.
  • Tên “radar” là từ viết tắt của radio detection and ranging — phát hiện và đo khoảng cách bằng sóng vô tuyến.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Watson-Watt là người duy nhất phát minh ra radar." Ông là nhân vật trung tâm của chương trình Anh, nhưng radar là thành quả tích lũy: Hertz đặt nền vật lý, Hülsmeyer trình diễn phát hiện bằng tiếng vọng từ 1904, còn nhiều nhóm ở Anh, Mỹ, Đức phát triển song song trong bí mật quân sự.

Hiểu lầm: "Radar ngay từ đầu đã là vi sóng sắc nét." Chain Home dùng bước sóng dài và tháp ăng-ten khổng lồ; hình ảnh của nó thô hơn nhiều so với radar hiện đại. Chỉ khi magnetron khoang tạo được vi sóng công suất cao khoảng 10 cm, radar mới thu nhỏ và chính xác hơn.

Nguồn tham khảo

  • American Physical Society — April, 1935: British Patent for Radar System for Air Defense Granted to Robert Watson-Watt: https://www.aps.org/apsnews/2006/04/this-month-in-physics-history
  • IEEE Spectrum — How the Telemobiloskop Paved the Way for Modern Radar Systems: https://spectrum.ieee.org/how-the-telemobiloskop-paved-the-way-for-modern-radar-systems
  • Smithsonian Magazine — Hot Food, Fast: The Home Microwave Oven: https://www.smithsonianmag.com/innovation/hot-food-fast-home-microwave-oven-turns-50-180962545/