Van draadloze telegrafie naar radio-uitzendingen

De uitvinding van de radio wordt in het algemeen toegeschreven aan Guglielmo Marconi. Het is gemakkelijk gedacht dat dan de radio wordt bedoeld die wij nu in de huiskamer hebben staan. Dat is echter niet het geval. Het is meer zo dat Marconi, naast Heinrich Hertz, Édouard Branly, Alexander Popov, Nikola Tesla en zijn latere partner Ferdinand Braun, de draadloze telegrafie heeft ontwikkeld waar radiotechniek op gebaseerd is. De basis daarvan is het versturen van geluid via elektromagnetische golven, wat men radiotelegrafie ging noemen. Aanvankelijk kwam het vooral te pas in de scheepvaart en dan met name bij noodsituaties. De programma's uitzendende radio voor thuisgebruik kwam pas na de Eerste Wereldoorlog in zwang, maar werd nog net voor die oorlog geboren in België onder leiding van Robert Goldschmidt.

The S.O.S. - Illustratie uit het boek The Wireless Man door Francis A. Collins. 1912 Een man bedient een draadloze telegraaf op een zinkend schip.

Het principe van radio

Bij radiotechniek wordt er een akoestische boodschap verstuurd via elektromagnetische golven. Eerst worden de binnenkomende geluiden door een microfoon omgezet in elektromagnetische golven. Deze golven worden op hun beurt door een oscillator omgezet in een geluidsgolf op hoge frequentie. De hoogfrequente golven worden vervolgens via een antenne door de ether verzonden naar de antennes van individuele ontvangers, oftewel radio’s. In deze radio’s worden de golven weer teruggebracht naar de akoestische, voor ons begrijpelijke, geluiden waar het mee begonnen was.

Op deze manier is het mogelijk om berichten draadloos te verzenden, wat na de uitvinding van de telefoon de nieuwe droom was van veel uitvinders. Dat beperkte zich in eerste instantie wel tot het uitvinden van een draadloze telegraaf, want dat zou al heel wat zijn. Durfallen hebben ook wel geprobeerd een draadloze telefoon te bedenken, maar dat zou, zoals bekend, nog wat langer duren. Uiteindelijk lag de draadloze telegraaf ook veel meer in het verlengde van de radio dan in die van de telefoon.

Ontdekking elektromagnetische golven

Feitelijk begint de geschiedenis van de radiotechniek bij het ontdekken en nader onderzoeken van elektromagnetisme. Zonder kennis op dit gebied was het niet mogelijk geweest om zoiets als een radio te bedenken.

De eerste natuurkundige die met zijn onderzoek naar elektromagnetisme belangrijke resultaten boekte was Michael Faraday (1791- 1867). Hij geloofde er sterk in dat elektriciteit kon worden opgewekt door magnetisme en wist dit rond 1831 te bewijzen. Deze ontdekking zou van groot belang blijken voor tal van op elektriciteit gebaseerde uitvindingen, maar voor die van de radio gold dat extra.

James Clerk Maxwell (1831-1879) zette een volgende stap in het proces door te ontdekken dat licht een elektromagnetisch verschijnsel is. Dat betekende automatisch dat er elektromagnetische golven door ons luchtruim bewegen. In 1865 formuleerde Maxwell vier wetten betreffende elektromagnetisme, die de basis zouden vormen voor alle ideeën die er nog over dit verschijnsel zouden volgen.

Het punt met de wetten en ontdekkingen van Maxwell was echter dat deze nog alleen theoretisch waren en het bestaan van elektromagnetische golven nog niet bewezen. Het wachten was op het eerste concrete bewijs voor het daadwerkelijk bestaan ervan.

V.l.n.r.: Michael Faraday (+/1860), James Clerk Maxwell ( Gravure van G. J. Stodart naar een foto van Fergus of Greenock) en Heinrich Hertz (1894).

Heinrich Hertz bewijst het

In 1884 vroeg Hermann von Helmholtz, befaamd professor natuurkunde aan de universiteit van Berlijn, zijn voormalige student Heinrich Hertz (1857-1894) om het bewijzen van de theorie van Maxwell op zich te nemen. Dat betrof met name het idee dat er elektromagnetische golven door de ether trokken. Hertz, destijds woonachtig in Karlsruhe, nam de opdracht aan. In het auditorium van het instituut waar hij als natuurkundige werkte, begon hij te experimenteren.

De eerste jaren ging het hem niet al te goed af. Hij wist niet waar te beginnen, was vaak mismoedig en geloofde eigenlijk niet dat het mogelijk was. Toch zette hij door.

Drie jaar later, in 1887 kwam de omslag. Het onderzoek kreeg richting en de experimenten leverden steeds meer op. In de loop van het jaar lukte het Hertz om aan de hand van minieme vonkjes de aanwezigheid van een magnetische golf over een zeer korte afstand te bewijzen. Hij gebruikte daarvoor een vonkgenerator, een  cirkelvormige draad met een kleine opening waartussen de vonken ontstonden. De natuurkundige wereld stond op zijn kop.

Nu kreeg Hertz de smaak te pakken. Enthousiast vervolgde hij zijn experimenten. Hij zette de zender en de ontvanger vijftien meter uit elkaar, wat de maximale afstand was die hij in het auditorium kon bereiken. De nieuwe experimenten leverden een onverwachte bonus op: elektromagnetische golven bleken, hoewel onzichtbaar voor het oog, net als lichtgolven te worden weerkaatst door spiegels.

Door deze ontdekking kon Hertz in 1888 een zogeheten resonator bouwen, een apparaat dat elektromagnetische golven produceerde en verzond.

Helaas zou het hier voor hem bij blijven. Hij kreeg een mysterieuze infectieziekte en overleed  op 1 januari 1894 op 36-jarige leeftijd. Na hem zouden echter tal van natuurkundigen en uitvinders het onderzoek naar elektromagnetisme voortzetten.

Branly, Popov en de coherer

Op basis van de resultaten van Hertz zetten twee personen concrete stappen in de richting van het draadloos verzenden van geluid. Dat waren de Fransman Édouard Branly (1844-1940) en de Rus Alexander Stepanovich Popov (1859-1905). Beiden zouden ze een eerste type zender/ontvanger van elektromagnetische golven bouwen, een zogeheten coherer. Deze coherers hadden een bereik van enkele kilometers. Ze waren alleen geschikt voor het versturen van berichten in morsecode en dus eigenlijk een draadloze telegraaf. 

Édouard Branly ontwikkelde rond 1890 een nieuwe detectiemethode voor elektromagnetische golven. Hij ontdekte dat kleine metalen deeltjes bleven samenkleven in een glazen buis als er in de buurt een vonk werd ontstoken. Door aan de uiteinden van de buis twee elektroden te bevestigen kon de elektrische weerstand worden gemeten. Deze werd beduidend lager als de deeltjes samenkleefden. Ook dat betekende de aanwezigheid van elektromagnetische straling.

Deze methode was fijnzinniger dan die van Hertz en had een veel groter bereik. Op basis van dit principe kon Branly een coherer bouwen die elektromagnetische golven over kilometers wist te versturen in plaats van over meters. Hij verstuurde nog geen berichten.

Vroege telegrafische coherer. In de rol linksonder wordt de morsecode geprint. Foto 1902.

Alexander Popov, assistent aan de torpedobootschool in Kronstadt, bouwde op basis van de vindingen van Hertz ook een coherer, waarbij hij met name veel verbeterde aan de antenne. Hij ontdekte namelijk dat de ontvangst van de signalen belangrijk werd verbeterd als hij de ontvanger met een lange verticale draad verbond. Feitelijk is hij daarmee de uitvinder van het type ontvangstantenne dat wij nu nog het meeste gebruiken. In 1895 zou hij zijn vindingen presenteren aan de Russische natuurkundige vereniging.

Popov gebruikte het apparaat onder meer om elektrische ontlading uit onweerswolken op te vangen. Daardoor kon hij onweersbuien voorspellen. Ook wist hij als eerste een serieuze draadloze telegraafverbinding te leggen en de woorden 'Heinrich Hertz' in morsecode te verzenden over 250 meter.

Branly en Popov worden in respectievelijk Frankrijk en Rusland gezien als de uitvinders van de radio. Net als Hertz waren Branly en Popov echter meer wetenschapper dan uitvinder. Hun coherers waren labopstellingen en allebei waren ze niet echt bezig met de mogelijkheid elektromagnetische golven op grotere schaal praktisch toepasbaar te maken. Dat probeerden anderen wel.

V.l.n.r.: Édouard Branly (1904), Alexander Popov en Nikola Tesla (Foto: Napoleon Sarony, 1890)

Teleurstelling voor Tesla

Aangezien er elektromagnetisme te pas komt bij draadloze telegrafie, lag het voor de hand dat Nikola Tesla, mister electromagnetism himself, zich mateloos zou interesseren voor dit onderwerp. En inderdaad, hij ging er volop mee aan de slag. Het was hem echter niet gegund de uitvinder van de draadloze telegraaf te worden. In 1895, nog vóór Popov, stond hij weliswaar klaar om als eerste een bericht over grote afstand te versturen, maar zijn laboratorium vloog in brand, waardoor hij het experiment niet kon uitvoeren. De oorzaak van deze brand is nooit opgehelderd.

Marconi en de draadloze telegrafie

In 1894 werd een jonge Italiaan van gegoede huize door zijn buurman en mentor Augusto Righi, professor in de natuurkunde, bekend gemaakt met het elektromagnetisch onderzoek. Een gefascineerde Guglielmo Marconi (1874-1937) sloeg aan het experimenteren in het tuinhuis van de ouderlijke villa. Hij wilde weten of je hertzgolven ook over een zekere afstand kon verzenden, zonder dat daar nog verbindingsdraden aan te pas kwamen. Waar hij, zoals duidelijk moge zijn, niet alleen in was.

In 1895 lukte het hem na vele mislukte probeersels om over een afstand van 800 meter draadloos te telegraferen. Dat was dus beduidend verder dus dan Popov. Hij gebruikte daarbij onder ander een vonkgenerator en een verbeterde versie van de coherer van Branly. Daarnaast zaten er 17 verschillende vindingen van Tesla in zijn ontwerp. Zelf ontwikkelde hij een radioantenne, een constructie met geleiders die werden opgehangen aan een mast. Een antenne dus om mee uit te zenden.

Nog datzelfde jaar haalde Marconi de 2400 meter. Hiermee was de zoektocht naar praktische toepassingen voor elektromagnetische golven echt begonnen.

Een jonge Marconi (hij was 21 in 1895) poseert met zijn eerste radiotelegraaf die bestaat uit zowel een tweepolige (zie de bollen) zender/antenne als een ontvanger/coherer (rechts). Op de foto mist een inductiespoel die een hoog voltage afgeeft aan de antenne.

Helaas interesseerde in thuisland Italië niemand voor de draadloze telegrafie, waardoor Marconi besloot naar Engeland te emigreren. Dat was voor hem niet zo’n vreemde stap aangezien hij een Ierse moeder had en veel familie op de eilanden. In 1896 kreeg hij een Brits patent na succesvolle demonstraties. Ook richtte hij de Wireless Telegraph and Signal Company Ltd. op. Een bedrijf dat in handen van de gewiekste zakenman Marconi zou uitgroeien tot een groot succes.

In de VS werd hem het patent op de antenne trouwens geweigerd omdat men er teveel overeenkomsten zag met de radio van Nikola Tesla. De meningen verschillen nog steeds over de vraag of dit terecht was of niet. Het is duidelijk dat Marconi druk leentje buur heeft gespeeld bij Tesla, maar tegelijkertijd heeft hij de radiotechniek opgezet en vormgegeven zoals Tesla op geen stukken na heeft gedaan.

Steeds verder

Een paar jaar later had Marconi zijn draadloze telegraaf zo ver geperfectioneerd dat hij de 15 kilometer haalde. Vervolgens lukte het hem om uitstekende signalen vanuit Bristol over het Kanaal te versturen. Marconi ’s systeem had zich hiermee definitief bewezen.

Destijds dachten veel mensen echter dat door de kromming van de aarde de maximale draagwijdte van radiogolven 300 km was, wat voor bepaalde radiogolven ook opgaat. Op 12 december 1901 bewees Marconi echter dat het toch mogelijk was om ze ook over een veel langere afstand te verzenden. Het lukte hem draadloze morsesignalen over de Atlantische Oceaan te sturen, over een afstand van 3200 kilometer tussen Cornwall en Newfoundland.

Daartoe had hij een compleet zendstation gebouwd in het kustplaatsje Poldhu. Dergelijke stations zou Marconi op meer plaatsen bouwen. Ook organiseerde hij opleidingen voor speciale radiotelegrafisten om alle apparatuur, aan land of op zee, te bedienen. Deze operateurs werden ook wel Marconi-telegrafisten genoemd.  

Het mag dan niet mogelijk zijn om Marconi als enige echte uitvinder van de radio aan te wijzen, de vader van de radiotechniek en de hele infrastructuur die daarbij kwam kijken, was hij zeker wel. En gezien de jonge leeftijd waarop hij alles bereikte was dat toch wonderbaarlijk genoeg.

Het radiostation van Marconi in Poldhu, Cornwall. Hier vandaan zond hij voor het eerst een bericht de Atlantische oceaan over. Foto uit 1910.

Marconi en Braun

Rond de eeuwwisseling kreeg Marconi wel significante hulp van een andere wetenschapper, namelijk de Duitse natuurkundige (Karl) Ferdinand Braun (1850-1918). Deze bracht verschillende belangrijke verbeteringen aan de apparatuur aan.

Zo ontwierp Braun een radio-ontvanger met kristaldetector, een specifiek elektronisch component, welke veel beter werkte dan andere ontvangers. Hij wist ook het bereik van de zenders steeds verder op te krikken. De verbinding die Marconi in 1901 wist te leggen tussen Engeland en Noord-Amerika was in belangrijke mate hieraan te danken.

Zijn belangrijkste bijdrage echter was dat het hem lukte elektromagnetische golven in een door hem gewenste richting te sturen in plaats van deze willekeurig te verzenden en op te vangen. Het is niet moeilijk te begrijpen hoe belangrijk dat was voor de verdere ontwikkeling van de radiografie.

De geniale, maar zeer bescheiden en teruggetrokken Braun en de natuurkundig minder maar sociaal en zakelijk veel meer onderlegde Marconi, vormden een perfect team. In 1909 kregen ze samen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun bijdrage aan de draadloze telegrafie.

Dit overigens tot begrijpelijke ontstentenis van Nikola Tesla, die in het algemeen veel meer had bijgedragen aan de technologische en wetenschappelijke vooruitgang, maar de prijs nooit kreeg.

Guglielmo Marconi (hij was nu 35) in 1909 als Nobelprijswinnaar en Ferdinand Braun.

Radiotelegrafie

In het begin van de 20ste eeuw werd het duidelijk dat de golven van de draadloze telegrafie breed uitstraalden, wat hertzgolven niet deden. Daardoor ging men spreken over radiogolven.

Tegen 1910 was radiotelegrafie, zoals het draadloos versturen van berichten nu ging heten, een ingeburgerd verschijnsel en kon het over zeer grote afstand worden gebruikt. Dat was vooral een zegen voor de scheepvaart, die tot dan toe verstoken was gebleven van alle nieuwe communicatieapparatuur die was uitgevonden. 

Radiotelegrafie was een enorme stap vooruit wat betreft communicatieapparatuur. Achteraf gezien is het echter nauwelijks voor te stellen dat de ontwikkeling telegrafie-telefonie-radiotelegrafie in niet meer dan tachtig jaar tijd vorm heeft gekregen. 

Mr. Brent, radiotelegrafist op de RMS OLympic in 1913. De Olympic was een zusterschip van de Titanic, die in 1912 was gezonken. Er rustte dus veel druk op de schouders van Mr. Brent, maar het is hem niet aan te zien.

De eerste radio-uitzendingen in België

De radio zoals wij die kennen, waarbij expliciete programma's worden uitgezonden die men op meerdere plaatsen kan ontvangen, wortelt in België en kreeg nog voor de oorlog vorm. Wetenschapper en uitvinder Robert Bénédict Goldsmidt (1877-1935) organiseerde er al in 1908 een mogelijkheid tot radiotransmissies. Hij bouwde daartoe een enorm web van antennes op het Justitiepaleis te Brussel. Van daaruit werden er signalen verstuurd naar Tervuren, Namen en Luik.

Dit alles gebeurde tot groot enthousiasme van Koning Albert I en koningin Elisabeth, die ruimtes beschikbaar stelden op het Koninklijk Domein van Laken voor verdere experimenten. Er werd een experimentele lange golf zender bouwde. De antenne-installatie bestond deze keer uit 8 pylonen met een hoogte van 60 tot 120 meter. In 1913 waren er tenslotte 12 radiotelegrafische stations door het hele Belgische rijk (dus inclusief Congo) geïnstalleerd en werden de eerste proefuitzendingen gehouden met spraak en muziek.

De allereerste echte uitzending vond plaats op 28 maart 1914 om 17:00 toen er een combinatie van spraak en grammofoonplaten werd uitgezonden. Om 20:30 volgde nog een concert voor de koninklijke familie, bestaande uit een aria uit Tosca. Hierna ontstond het eerste radiostation dat geen naam had. Men noemde het gewoon TSF, ofwel Télégraphie sans file, ofwel Draadloze telegrafie.

Het signaal van het station had een bereik van 70 meter en kon daarmee bijvoorbeeld ook Parijs bereiken. Goldsmidt zond samen met zijn assistent Raymond Braillard op zaterdag enkele uren gesproken berichten uit en eenmaal per week een rechtstreeks uitgezonden concert. Helaas moest het radiostation in 1914 na het begin van de Eerste Wereldoorlog worden vernietigd om te voorkomen dat het in handen van de vijand zou vallen.

Daarmee was het idee achter radiouitzendingen geboren, maar moest er wel nog zoiets als een radiotoestel voor in huiskamers worden bedacht. Dat liep echter wat vertraging op (zie kader zijkant) en werd iets voor de jaren '20.

Bronnen

• Meidenbauer J. (red.) - 'Het grote boek van uitvindingen en ontdekkingen.' Lisse 2004
• Bodanis D. - 'Het elektrisch universum: een geschiedenis van de elektriciteit.' Amsterdam 2005
• http://vrijeradio.be/eerste-radiozenders.php (5-12-2018)
• Wikipedia (nl.wikipedia.org) - 'Guglielmo Marconi'/ 'Antenne'/ 'Wetten van Maxwell'/ 'Édouard Branly'/ 'Alexander Popov'/ 'Karl Ferdinand Braun'. (8-6-2012) / 'Coherer' / 'Radio' (4-12-2018) / 'Robert Goldschmidt' (5-12-2018)

Afbeeldingen

• Michael Faraday: Wikimedia / R.A. Millikan & H.G. Gale; A First Course in Physics, 1906
• James Clerk Maxwell: Wikimedia / The Life of James Clerk Maxwell, by Lewis Campbell and William Garnett, 1882
• Heinrich Hertz: Wikimedia /  Lenard, P. - Grosse Naturforscher, Munich, 1930
• Édouard Branly: Wikimedia /
  Bibliothèque nationale de France
• Heinrich Hertz ontdekt radiogolven: Wikimedia/ Raymond Francis Yates, Louis Gerard Pacent (1922) The Complete Radio Book, The Century Co., New York
• Guglielmo Marconi: Wikimedia / Nobel Foundation
• Robert Goldschmidt en Justitiepaleis: Wikimedia/ L'expansion belge, augustus 1909 (tijdschrift)
• Overige: Wikimedia (commons.wikimedia.org)