Per rispondere con una certezza analitica alla domanda (causa la mancanza di qualsiasi tipo di documentazione riguardante gli esperimenti d’allora sul raggio della morte) si è dovuto ipotizzare le massime prestazioni possibili,dei due componenti fondamentali:trasmettitore e antenna.
Nello spiegare le verifiche, si è colta l’occasione di divulgare aspetti, forse poco noti, riguardo il guadagno delle antenne. La risposta ha assunto quindi dimensioni non indifferenti e pertanto il secondo quesito: “Sarebbe oggi possibile realizzare il raggio della morte?” verrà locato come un altra domanda e sarà la continuazione di questo lavoro.
Introduzione
Tra il 1935 e 1940 furono divulgate numerose storie di fantascienza dove non solo marziani utilizzavano pistole e cannoni che emettevano raggi, i quali silenziosamente annichilavano il nemico, ma, su seri quotidiani americani, apparivano interviste dell’ottantenne Nicola Tesla1 riguardo una nuova fonte energetica per arrestare aerei ed automobili di sua invenzione.
Non si trattava certo per la diffusione della fisica atomica(che in quegli anni nota solo gli addetti ai lavori), nè della recente scoperta del neutrone, nè dei progressi da parte dei ragazzi di via Panisperna, neppure per l’idea del Laser (che verrà inventato nel 1958 nei laboratori della Bell Telephone).
Le emissioni radio furono sempre viste come un prodigio della scienza e l’incontestabile conoscenza2 che, chi fosse riuscito a collimare onde radio tramite antenne molto direttive, avrebbe potuto trasmettere energia senza perdite, suffragava l’idea che ciò era realizzabile.
Cercate in rete e vi accorgerete che pure la stampa italiana divulgò che il presidente del CNR, Marconi,realizzò l’arma segreta.
Avendo il privilegio di avere fonti attendibili, chiesi lumi a riguardo al professor Bargellini 3. Questa è la sua risposta:
“Storielle circa il raggio della morte circolavano a Roma. Al centro trasmittente di Torrenova della Società ITALO RADIO dove io entrai in servizio il 1 settembre del 1937 il Capo Stazione Sig.Podestà ex-sottufficiale di Marina mi raccontava che alcuni mesi prima della morte di Marconi (20 luglio 1937) correvano voci che egli era riuscito a fermare automobili sulla strada Roma-Ostia e che stava lavorando a produrre mediante onde radio ” il raggio della morte”. Voci ovviamente messe in circolazione da ignoranti a scopo pubblicitario su uno sfondo d’ultrafascismo.”
Personalmente ero a conoscenza, dagli anni settanta, quando lessi la storia del Radar sull’ultimo volume, dell’ enciclopedia della tecnica Edita da UTET, che i giapponesi avevano tentato di realizzare il “raggio della morte” uccidendo dei conigli durante i test.
Rileggendo con la mente d’oggi, posso affermare che con la tecnologia di allora era impossibile nuocere minimante ad un coniglio posizionato oltre una decina di metri dalla sorgente di onde decimetriche e non ionizzanti.
Cosi scrisse il professor Alberto Mondini, uno degli autori dell’enciclopedia:
“Nel 1937 furono realizzate 20 stazioni Radar …Le onde impiegate erano ancora metriche; per dirigerle sul bersaglio, il che è indispensabile se si vuole “localizzarlo”, bisognava creare dei “lob¡” piuttosto stretti. L’aiuto involontario venne dal fisico giapponese Yagi che fu poi durante la guerra direttore scientifico del Giappone. Yagi cercò di concentrare le onde elettromagnetiche di 80 cm di lunghezza in fasci molto stretti, per ottenere anche lui, il “raggio della morte”. Riuscì effettivamente ad uccidere un coniglio alla distanza di 30 metri; ma il risultato utile dei suoi sforzi fu l’antenna che porta il suo nome , e che oggi si trova in gran numero su tetti e le terrazze delle nostre case per ricevere la televisione...
Avrei potuto contraddire un blasonato professore universitario della Storia della Tecnica? Perhé, scrisse ”anche lui” ? Chi erano gli altri? Marconi e Tesla ? Perchè non si accorse che era diffuso che l’antenna fosse di Uda-Yagi dal 1928? (Articolo in inglese non in giapponese).
Perché Stati Uniti,Germania e Gran Bretagna non tentarono mai di realizzare armi ad energia elettromagnetica? Sappiamo tutti che queste nazioni impegnarono i massimi sforzi scientifici rispettivamente per nucleare, missilistica e Radar.
Ecco, questo fu il mio rompicapo e passatempo estivo. Com’è normale, quando si fanno ricerche storiche in biblioteche, si scoprono tante altre curiosità poco note. Non tutto si è chiarito ma, dovendo finire la risposta, v’illustro ciò che ho appreso fino ad oggi.
Iniziamo
Il primo lavoro con esito negativo4 fu, tramite telefonate ed Email all’UTET, di rintracciare gli autori o collaboratori della nota enciclopedia con lo scopo di sapere se Mondini avesse gli scritti originali relativi ai conigli giapponesi. La seconda attività fu di rivedere con la massima precisione possibile lo stato dell’arte verso le alte frequenze e massime potenze delle valvole termoioniche disponibili ma, soprattutto, i valori della direttività di fasci che si potevano ottenere. Comiciamo a stabilire il tipo d’antenna usato.
Antenna di Uda ” Il proiettore di onde corte”
Dal libro di Kraus, ANTENNAS, raccolsi l’informazioni che:
il primo articolo sulle cosidette antenne Yagi è datato, giugno 1928 firmato S.Uda e H.Yagi e fu pubblicato sul Proceedings of the I.R.E., inoltre Yagi prese un brevetto in USA, nel 1932, con diritti della RCA.
Il documento è troppo vetusto e quindi non è accessibile nelle pubblicazioni IEEE. Ero curioso di conoscere il contributo di Uda all’invenzione dell’antenna. Perchè tutti gli articoli fino al 1936 erano firmati con i due cognomi? Se Yagi brevettò l’antenna perchè non scrisse mai un articolo in solitario? Su Uda trovai quasi nulla, nemmeno il suo nome. Avevo solo un sospetto, finchè verso la fine di una animata revisione della risposta, interna al gruppo di vialattea, scoprì 5 che Uda fu il primo a pubblicare,da solo, il suo “Proiettore di onde corte” su Proc. IRE- maggio 1927.
Uda lo studente scoprì il principio dell’incremento di direttività sotto la guida del professore Yagi il quale ha finito con l’essere considerato lui l’inventore
Figura 1 Hidetsugu Yagi con la nota antenna televisiva di Shintaro Uda.
L’antenna di Uda è a tutt’oggi l’antenna con il più basso rapporto dimensioni/guadagno per lunghezze d’onda di funzionamento comprese tra decine di metri e decine di centimetri.
Massima esposizione della densità di potenza tollerata dal coniglio.
Siamo talmente lontani dai valori di densità di potenza tali da provocare danni al sistema di termoregolazione corporea d’esseri umani che possiamo tranquillamente evitare di entrare in complessi scenari di calcolo dove servirebbe conoscere sperimentalmente le aeree d’assorbimento di un coniglio di massa M che, moltiplicata per la densità di potenza incidente W/m2,fornisce la totale potenza assorbita dell’animale.
Le parti più sensibili di un corpo umano sottoposto a radiazioni decimetriche sono gli occhi ed i testicoli (risonanze ad opportune frequenze).
In soldoni la massima densità di potenza permissibile per non provocare danni al nostro corpo è 1000 W/m 2 fino a lunghezze d’onda di 1500 nm 6.
In considerazione anche del contenuto della nota (6) possiamo affermare con notevole certezza che, un coniglio sottoposto ad una densità di potenza di 1 KW/m2 alla lunghezza d’onda di 80 cm (375 MHz), non riceve nessun danno fisico.
Potenza dei trasmettitore
Nel 1937 i militari possedevano tubi elettronici in grado di fornire in modo continuo qualche decina di Watt alla massima frequenza ottenibile, circa 500 MHz. Valvole termoioniche con queste caratteristiche saranno prodotti anche in un’azienda italiana negli anni quaranta7. Fissando in 100W la potenza che Yagi usò, siamo sufficientemente marginati.
Calcolo della densità di potenza a distanza di 30 metri.
Abbiamo quasi tutti i dati a disposizione per calcolare la densità di potenza:potenza trasmessa, distanza del coniglio, lunghezza d’onda e tipo d’antenna. Non conosciamo il guadagno di direttività dell’antenna che usò YAGI per gli esperimenti ma, sicuramente, usò il massimo ottenibile da una antenna Uda. Per marginarci in eccesso sarebbe sufficiente inserire il massimo teorico (senza perdite) di una Uda a 400 MHz. Ma ciò non è semplice 8. Non abbiamo una relazione teorica tra un numero alto di bacchette, inserite davanti al dipolo, verso guadagno di direttività 9. Posso solo osservare che per la ricezione della televisione analogica e digitale in banda UHF si usano antenne Uda da 4 fino 7-12 elementi. Al massimo per incrementare il guadagno si preferisce collegare opportunamente due antenne in parallelo. I radioamatori usano antenne Uda con il minimo di 2 elementi e massimo 20-22 ,ottenendo divergenze fino a di 12-15 gradi.
Ma,qual’è il valore massimo di guadagno ottenibile dal “proiettore” di Uda?
La risposta sperimentale ci viene dalle misure eseguite dallo stesso Uda nel 1925. Costruì antenne da 5 a 33 elementi alla frequenza di circa 70 MHz. (Frequenza elevatissima per quegli anni)
Nella figura 2 riporto le misure di guadagni di direttività (a 440cm di lunghezza d’onda) si osservi come passando da 19 a 27 direttori l’incremento di direttività è minimo come spiegato nella note (5) e (8) . .jpg)
Dalla figura si osserva che con 5 riflettori e 27 direttori si ottiene una direttività di ~ 8 gradi, sul piano orizzontale.
Ipotizzando lo stesso valore pure sull’angolo di zenit otteniamo un guadagno di direttività di 640 volte(~28 dB espresso in unità logaritmiche) rispetto al radiatore isotropico che irradia su una sfera in modo uniforme.
I gradi di divergenza furono però ottenuti misurando in ricezione la corrente fornita da un dipolo reale (il radiatore isotropico è solo un modello matematico) in pratica l’antenna direttiva era fissa e trasmetteva in una determinata posizione. A 50 metri di distanza dalla massima direzione di campo si registrava la deflessione assoluta di un microamperometro a termocoppia al variare dell’angolo d’azimut del dipolo.
Risultato è che la larghezza del fascio (beam) misurato è il prodotto di due direttività (dominante quella di trasmissione) poiché il dipolo ha un guadagno di direttività di 1,6 volte (2,1dB) rispetto al radiatore isotropico.
Conclusione il guadagno di direttività dell’antenna rispetto alla sfera isotropica è minore ed è uguale a 26 dB (28-2,1dB).
La vera larghezza dell’angolo di radiazione (che vedrebbe un coniglio se la radiazione emessa fosse visibile) risulta essere più larga, uguale a 10 gradi (La relazione tra guadagni di direttività ed angolo e viceversa sarà chiarita nella risposta successiva)
E’ lecito pensare che Yagi alla fine degli anni trenta utilizzò il top dell’antenna di Uda per i suoi esperimenti bellici in 80 cm di lunghezza d’onda. Lo stesso massimo numero di elementi dell’antenna UDA e quindi, per quanto detto, un guadagno di divergenza rispetto all’isotropico di circa 400 (26dB).
Le dimensioni per una simile antenna a 375 Mhz possono essere circa 8-9 metri di lunghezza (secondo la spaziatura usata tra i direttori) e larghezza massima di 40cm.
Per conoscere la densità di potenza che investe il coniglio è sufficiente applicare la classica relazione (A3) che si trova in appendice in una risposta di Dario Benvenuti.
Troviamo che: Densità di potenza = GPt/4ΠR2. (A3)
Trasmettiamo una potenza continua Pt=100 W (alla frequenza di 375 Mhz), G=400 (26 dB espresso in unità lineari),R=30 metri ed otteniamo una densità di potenza di solo 3,5 W/m 2.
Per ottenere una densità di potenza continua di 1 KW/m 2 (solletico per il coniglio) dovrete aumentare la potenza fino a 15KW 10 ,oppure posizionare il coniglio a 200 cm di distanza dall’antenna. I Giapponesi visti i scarsi risultati abbandonarono gli esperimenti nel 1940.
Con le valvole termoioniche di fine anni trenta e con le antenne di UDA, il raggio della morte (come quello di Marconi e Tesla) che blocca auto e aerei ed uccide è una bufala .
La risposta sarebbe terminata se durante questo lavoro non avessi appreso altre notizie ….
In settembre casualmente in casa di amici su History Channel vidi un filmato realizzato nel 1945-46 in Giappone da militari americani. Sulle chilometriche scogliere sul versante del Pacifico vi erano decine d’enormi antenne paraboliche rivolte e perpendicolari al mare. Lo speaker raccontava che
… i giapponesi nel 1943, grazie al magnetron avevano ripreso le ricerche su armi elettromagnetiche come contromisura di un eventuale sbarco americano …
Qui lo scenario è notevolmente cambiato ed è anche tragico.
Per conoscere le nuove densità basta introdurre i nuovi dati sull’equazione (A3).
Nel filmato, alcuni soldati erano vicini all’enormi parabole posizionate non su torri ma sul piano di strapiombi. Ad occhio, l’altezze delle parabole (diametro) saranno state di 4-5 uomini.
Poniamo un diametro di 10 metri ed a 3 GHz possiamo ottenere un guadagno di 48 dB (Le equazioni le vedremo nella seconda parte della risposta).
Inseriamo le massime potenze continue ottenibili dai magnetron di allora, 2500W ed otteniamo a 30 metri, ordini di grandezza una densità di circa un 180 KW/m2.
Se poi consiseriamo le massime potenze impulsive circa 100 di KW si arriva all’ impressionante valore di un milione di Watt metroquadrato sempre alla distanza di 30 metri (Oggi i militari hanno radar a 300THz con oltre un milione di Watt impulsivi ed antenne di 90dB).
Non solo con il rivoluzionario magnetron (usato sui radar inglesi), si potè ottenere potenze continue di migliaia di Watt e potenze impulsive di centinaia di migliaia di KW ma, incrementando la frequenza di un fattore 10, permise l’uso di antenne paraboliche di tipo ottico.
Fino alla fine degli anni quaranta le antenne direttive non avevano nessun utilizzo in ambito civile ma solo nei scenari di ricerche militari. La direttività dell’antenna, come abbiamo visto, era misurata certosinamente con il metodo di Uda in grandi spazi all’aperto,con inevitabili riflessioni dei terreni, ed espressa direttamente in gradi di divergenza.
Dalla diffusione della televisione analogica in banda VHF fino ai sistemi televisivi satellitari di oggi ed in ambito dell’inquinamento elettromagnetico, non interessa molto conoscere l’angolo di divergenza dell’antenna.
In tutti questi nuovi scenari serve calcolare la massima potenza ricevuta (campi elettrici o magnetici ) e utilizzare l’equazioni che furono sviluppate per gli ingegneri che si occupano del progetto dei radiocollegamenti. Equazioni che si trovano pure in vialattea in appendice ad una mia risposta e nella formula di Friis descritta da Dario Benvenuti.
Poco o nulla interessa conoscere le dimensioni dell’area illuminata e, a chi serve, i costruttori forniscono i diagrammi di radiazioni bidimensionali sui due piani d’azimut e zenit.
Se trattiamo oggetti che “sparano raggi” vogliamo sapere le dimensioni dell’invisibile “proiettile” in arrivo e non solo la densità di potenza ricevuta. C’interessa rispondere a queste domande :
Il raggio in arrivo sarà più grande o piu piccolo del coniglio? Mi servirà un mirino per puntare? Sara possibile collimare, cioè avere raggi paralleli?
Troverete le risposte nella domanda “Sarebbe tecnicamente possibile utilizzare fasci concentrati di onde elettromagnetiche per produrre armi letali, o il cosiddetto “raggio della morte”?
Continua.
NOTE IMPORTANTI
1) Nicola Tesla osteggiò fino alla morte la teoria di Maxwell.
2) Nel 1919 fu chiesto al fisico scozzese Robert Watson Watt se era possibile realizzare in pratica” il raggio della morte”. Il fisico rispose che per collimare un fascio elettromagnetico sarebbe stato necessario impiegare frequenze elevatissime tali da rendere per un prevedibile futuro il progetto irrealizzabile. In realtà era invece realizzabile un sistema di radiolocalizzazione, adatto al rilevamento degli aeroplani il RADAR. L’idea di Watson si realizzò con l’invenzione del Laser dopo gli anni sessanta.
3) Ingegnere Radiotecnico italo-americano. Dopo 15 anni di lavoro in Italia (Societa’ ITALORADIO e FIVRE) si trasferì negli Stati Uniti. Dal 1950 al 1968 insegnò Elettronica e Teoria dell’Informazione all’ Università di Pennsylvania a Philadelphia, dal 1968 al 1984 lavorò quale Senior Scientist /Assistente al Direttore dei Laboratori COMSAT a Clarksburg nel Maryland. Dal 1952 al 1998 fu Consulente di varie Ditte ed Enti negli Stati Uniti ed in Italia. Nel 1948 fu il primo presidente dell’A.R.I. Associazione Radiotecnica italiana.
4) Purtroppo non ho trovato nulla. Quello che so è che Alberto Mondini nacque a Roma nel 1915. Si laureò in ingegneria all’Università di Genova e si specializzò in Elettronica a Roma. Per ragioni di studio soggiornò a lungo in Gran Bretagna e Stati Uniti. Alla fine degli anni sessanta fu libero docente di “Storia della tecnica all’università di Genova ” Ha scritto decine di libri (storia del volo, del ferro, Cardano, Ingegnere,consulente in diverse enciclopedie).Mi sarebbe piaciuto sapere per conto di chi ha viaggiato? Perchè non si accorse dei numerosi articoli di Uda e Yagi. E’ dalle enciclopedie che si rilanciano come un megafono le conoscenze. La ricerca storica deve essere fatta il più possibile con documenti originali dei personaggi. Se la mia risposta riguardo Marconi fino al 1897,fosse stata ricavata dalle enciclopedie, sarebbe completamente diversa e nota a tutti.
5) Ringrazio Lara Pajewski per avermi segnalato il nome di Uda “Shintaro” il quale mi permise di aprire le porte alla ricerca di documenti riguardanti la storia di questo, per me, poco noto ricercatore pioniere delle onde corte.
In sintesi: Shintaro UDA dopo la laurea nel 1924 in ingegneria elettrica si unì al gruppo di ricerca in telecomunicazioni diretto dal professor Yagi. Durante uno dei primi progetti di un oscillatore in onde corte, mentre stava usando un’antenna a loop, osservò che piazzando un loop passivo vicino all’antenna aumentava la direttività. Chiamò l’antenna “proiettore d’onda”. Provò diverse soluzioni, tra le quali sostituire gli elementi passivi con bacchette di metallo. Sotto la direzione di H.Yagi furono trovate metodologie per verificare l’effettivo guadagno verso lunghezza e posizione degli elementi. Furono ideate antenne direttive in forme diverse.
Il Professore Yagi durante la seconda guerra mondiale fu direttore scientifico per il Giappone e nel dopo guerra, in pieno sviluppo della televisione, divenne consulente di una nota azienda Radio-TV giapponese. Probabilmente sono queste la cause di diffusione che Yagi si prese tutti i meriti nella invenzione dell’antenna? Essi morirono nello stesso anno, 1976 rispettivamente a 80 e 90 anni.
Penso che soltanto sapendo il giapponese e leggendo le memorie scritte in quella lingua la faccenda potrebbe essere meglio chiarita.
6) Alle lunghezze d’onda di sorgenti infrarosse fino arrivare agli ionizzanti raggi ultravioletti, i valori massimi di densità d’esposizione permissibile si riducono totalmente fino ad arrivare a decina di Watt su metro quadrato a 400nm.
Ricordiamoci che quando siamo spaparanzati in costume al sole estivo siamo sottoposti a densità di radiazione (comprese tra 450-700 nm) di circa 800-1000 W/m2. Ovviamente ci proteggiamo gli occhi e la pelle).
7) Così mi scrisse Bargellini:” Con i triodi sulle VHF e UHF le potenze erano limitate centinaia di watt in regime continuo . di watt in regime continuo . Le cose cambiano pero’ in regime impulsivo : dal 41 al 43 alla FIVRE a Firenze ho lavorato in quel campo , scrissi due articoli il primo su Alta Frequenza dell’Aprile 43 ed il secondo nel Dicembre 45 . A regime impulsivo usando tensioni anodiche quattro o cinque volte superiori alle tensioni nominali in CW il rendimento di conversione è più alto ed un altro vantaggio deriva dall’uso di risonatori a cavità .Ottenni a 750 MHz 5 W di potenza di picco ,a 430 MHz 500 W e a 300 MHz 10 KW usando due tubi in push pull . Non mi occupavo allora d’antenne, ma un guadagno 10 dB è certo ottenibile . Rimane tuttavia un problema : nelle antenne Yagi il solo dipolo alimentato riceve la potenza del trasmettitore ed il problema è mantenere la tensione all’estremita’ del dipolo (mezza-onda) a valori non eccedenti la rigidita’ dielettrica dell’aria ( 30 KV/cm) . Nel 1939 a Torrenova riuscii durante alcune prove ad alimentare un dipolo costruito a gabbia di fili paralleli con 20 kW di potenza a 20 MHz. A Firenze alla FIVRE infilando in una fessura di un oscillatore/risonatore a cavita’ cilindrico un filo di rame quando la sua lunghezza era pari ad un quarto di lunghezza appariva un arco all’estremo avendo il campo elettrico superato la rigidita’ dielettrica dell’aria. arebbe interessante trovare gli scritti originali relativi ai conigli giapponesi”.
8) La nota (5) spiega come Uda partorì l’idea perfezionandola sotto la direzione di Yagi. L’antenna definitiva fu una collocazione a distanza opportuna di dipoli passivi,detti direttori,
perfettamentamente allineati al dipolo attivo. Questi direttori generano nuovi campi che reirradiando a loro volta si sommano alle componenti di campo irradiati dal dipolo. Per un gioco di ritardi e sfasamenti, in fase nella direzione principale ed in opposizione nelle altre, si ottiene una riduzione del volume di “illuminamento “e quindi un aumento di guadagno di direttività dell’antenna.
Aggiungendo davanti al dipolo un solo elemento direttore il guadagno raddoppia aggiungendo poi altri direttori si hanno incrementi di guadagno sempre minori fino a non avere nessun beneficio aggiungerne altri. Si osservi nella figura 2 come passando da 19 a 27 direttori l’incremento di direttività è minimo
Inserendo dipoli passivi detti riflettori sul retro dell’antenna si ha un effetto schermante e si riduce il lobo che ha la stessa direzione ma verso opposto del lobo principale. I’area del fascio si riduce con conseguente nuovo incremento del guadagno. Molte sono le variabili in gioco per sapere a priori, il massimo valore teorico ottenibile per numero di elementi maggiori di una decina.
9) Scrissi in una precedente risposta
…variegati sono i tipi di antenne in funzione della frequenza… possiamo dividere le antenne in tre categorie: le antenne con conduttore lineare, le antenne a guida d’onda e le antenne di tipo ottico…
Le antenne di tipo ottico (parabole,a singolo e doppio riflettore) hanno dimensioni fisiche maggiori rispetto alle dimensioni della radiazioni di lunghezza d’onda e quindi è semplice ricavare le equazioni dei guadagni non solo teorici ma anche reali verso frequenza e dimensioni fisiche perchè possiamo operare con le approssimazioni dell’ottica geometrica (ray tracing).
Le antenne a filo conduttore,filari o strip line, hanno dimensioni fisiche paragonabili alla lunghezza d’onda d’esercizio e quindi dobbiamo studiare il problema attraverso una complessa trattazione e rispetto delle equazioni di Maxwell.
10) Il valore di 100 Watt a 375 Mhz è gia assurdo. Tenete in considerazione che il primo ponte radio direttivo a microonde,per servizio privato,un canale telefonico, (Vaticano –Castel Gandolfo) prodotto dall’inglese Marconi Co e antenna direttiva a cortina brevettata da Mathieu, (direttività a conduttori inferiori ad una Yagi) aveva una potenza di trasmissione di 3-4 Watt a 600MHz. La pomposa inaugurazione avvenne l’11 Febbraio 1933.