Wat zijn microgolven?

De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Planck satelliet
De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Planck satelliet. De kaart is gemaakt in 2013. Credit: ESA

Microgolven zijn, net zoals radiogolven, ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastralen, een type elektromagnetische straling. Microgolven kennen verschillende toepassingen zoals communicatie, radar en, wellicht het beste bekend, koken.

Elektromagnetische straling wordt in golven of deeltjes verzonden op verschillende golflengtes en frequenties. Dit brede gebied van golflengtes is bekend als het elektromagnetische spectrum (EM spectrum). Het spectrum wordt algemeen in zeven gebieden verdeeld in volgorde van afnemende golflengte en toenemende energie en frequentie. De algemene aanduidingen zijn radiogolven, microgolven, infrarood (IR), zichtbaar licht, ultraviolet (UV), röntgen en gammastralen. Microgolven vallen in het elektromagnetische spectrum tussen radiogolven en infrarood licht.

Het elektromagnetische spectrum
Het elektromagnetische spectrum. Door Inductiveload, NASA – self-made, information by NASABased off of File:EM Spectrum3-new.jpg van NASAThe butterfly icon is from the P icon set, File:P biology.svgThe humans are from the Pioneer plaque, File:Human.svgThe buildings are the Petronas towers and the Empire State Buildings, both from File:Skyscrapercompare.svg, CC BY-SA 3.0, Koppeling

 

Microgolven hebben frequenties die variëren van ongeveer 1 miljard cycli per sonde, oftewel 1 gigaHertz (GHz) tot ongeveer 300 gigaHertz en golflengtes van ongeveer 30 centimeter tot 1 millimeter. Het gebied wordt verder verdeeld in een aantal banden. Deze banden hebben aanduidingen als L, S, C, X EN K.

Communicatie & radar

Microgolven worden meestal gebruik voor point-to-point communicatiesystemen om alle soorten informatie over te dragen, inclusief spraak, data en video in zowel analoge als digitale formaten. Ze worden ook gebruikt voor toezichtscontrole en data-acquisitie (SCADA) voor externe machines, schakelaars, kleppen en signalen.

Een andere belangrijke toepassing van microgolven is radar. Het woord “radar” was oorspronkelijk een acroniem voor Radio Detection And Ranging. Vóór de Tweede Wereldoorlog ontdekten Britse radio-ingenieurs dat radiogolven met een korte golflengte konden worden weerkaatst door verre objecten zoals schepen en vliegtuigen en dat het terugkerende signaal kon worden gedetecteerd met zeer gevoelige directionele antennes. Op deze manier konden aanwezigheid en locaties van die objecten worden bepaald. Het gebruik van de term “radar” is zo gewoon geworden dat het nu een woord op zich is en kan verwijzen naar systemen die microgolven of radiogolven gebruiken.

Een weinig bekend historisch feit is dat er een vroege radarinstallatie werd gebouwd bovenop Kahuku Point op de noordelijkste punt van Oahu. Dit station heeft de eerste golf Japanse vliegtuigen gedetecteerd die op weg waren om Pearl Harbor aan te vallen toen de vliegtuigen 212 kilometer in de lucht waren. Omdat het systeem nog maar twee weken in gebruik was werd het als onbetrouwbaar beschouwd en werd de waarschuwing genegeerd. In de loop van de oorlog werd de radar verbeterd en verfijnd en sindsdien is het een essentieel onderdeel geworden van de nationale defensie van de civiele luchtverkeersleiding.

Radar kent nog vele andere toepassingen waarvan sommigen et Dopplereffect benutten. Een voorbeeld van het Dopplereffect kan worden gedemonstreerd door een naderende ambulance: naarmate die nadert lijkt het geluid van de sirene in toonhoogte te stijgen totdat de ambulance voorbijrijdt. Daarna, als de ambulance in de verte verdwijnt, lijkt het geluid van de sirene in toonhoogte te dalen.

Doppler radar, die vaak microgolven gebruikt, wordt toegepast voor luchtverkeersleiding en het controleren van snelheidslimieten van auto’s. Wanneer een object de antenne nadert worden de terugkerende microgolven samengedrukt en hebben ze dus een kortere golflengte en een hogere frequentie. Omgekeerd zijn retourgolven van weg bewegende objecten uitgerekt. Deze hebben dus een langere golflengte en een lagere frequentie. Door deze frequentieverschuiving te meten kan de snelheid van een object naar of van de antenne af worden bepaald.

Veelgebruikte toepassingen van dit principe zijn onder meer eenvoudige bewegingsdetectoren, radarkanonnen voor handhaving van de maximumsnelheid, radarhoogtemeters en weerradar die de 3D-beweging van waterdruppels in de atmosfeer kunnen volgen. Deze toepassingen worden actieve toepassingen genoemd omdat microgolven worden verzonden en de gereflecteerde signalen worden ontvangen en geanalyseerd. Bij passieve detectie worden natuurlijke bronnen van microgolven waargenomen en geanalyseerd. Veel van deze waarnemingen worden uitgevoerd door satellieten die ofwel naar de Aarde of naar de ruimte kijken.

Microgolf warmtebronnen

Een van de meest gebruikte toepassingen van microgolven is om voedsel snel te verwarmen. Microgolfovens zijn mogelijk omdat microgolven thermische energie kunnen overdragen. Dit fenomeen is per toeval ontdekt. Naar verluidt was het Percy L. Spencer, elektronica genie en oorlogsheld, die door de laboratoria van Raytheon struinde en bleef staan voor een microgolfbron van een radarinstallatie. Plotseling merkte hij dat de reep snoep in zijn zak begon te smelten. Nader onderzoek bracht hem ertoe om zowel de eerste partij magnetronpopcorn als het eerste exploderende ei te maken.

De eerste magnetrons waren vrij groot en duur maar ze zijn sindsdien zo betaalbaar geworden dat ze wel in ieder huishouden voorkomen. Magnetronverwarmingssystemen worden ook gebruikt in een aantal industriële toepassingen waaronder voedsel, chemische en materiaalverwerking in zowel batch- en continue bewerkingen.

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array van de ESO in Chili.
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array van de ESO. Door ESO/C. Malin – http://www.eso.org/public/images/ann12092a/, CC BY 4.0, Koppeling

Natuurlijke microgolfbronnen

Radioastronomen verrichten waarnemingen in het microgolfgebied maar vanwege de verzwakking door de atmosfeer worden deze waarnemingen vooral gedaan voor ballonnen op grote hoogte of met behulp van satellieten. De meest bekende waarneming van buitenaardse microgolfstraling werd gedaan door twee wetenschappers van Bell Laboratories die werkten aan een telecommunicatiesysteem dat gebruikmaakte van een grote op de grond staande hoornantenne.

In 1965 gebruikten Arno Penzias en Robert Wilson lange, L-band microgolven en ze deden per toeval een ongelooflijke ontdekking: ze ontdekten met behulp van een speciale geluidsarme antenne achtergrondgeluid. Het vreemde was dat dit geluid uit alle richtingen kwam en dat het helemaal niet in intensiteit leek te variëren.

Als deze statische elektriciteit afkomstig was van iets van onze planeet, zoals een radio-uitzending van een nabijgelegen verkeerstoren op een luchthaven dan zou het uit slechts een richting komen. De wetenschappers van Bell Labs realiseerden zich al snel dat ze de kosmische achtergrondstraling van microgolven hadden ontdekt. Deze straling, die het hele heelal vult, is een aanwijzing voor het begin van het heelal, de oerknal.

Penzias en Wilson kregen voor hun ontdekking in 1978 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. De kosmische achtergrondstraling is sindsdien met grote nauwkeurigheid in kaart gebracht door satellieten. Deze waarnemingen hebben de kleinste temperatuurvariaties onthuld die uiteindelijk zijn geëvolueerd naar de galactische clusters die we vandaag zien.

Analyse van deze achtergrondstraling heeft astronomen ook aanwijzingen gegeven over de samenstelling van het heelal en wetenschappers denken nu dat 95% van het heelal bestaat uit materie en energie die niet kan worden waargenomen met conventionele instrumenten. Dit heeft geleid tot namen als donkere materie en donkere energie. Toekomstige analyse van deze achtergrondstraling zou meer licht kunnen werpen op wat er gebeurde kort na de geboorte van het heelal en, volgens sommige kosmische modellen, mogelijk zelfs voordat dit heelal bestond.

 

Eerste publicatie: 20 juli 2020
Bron: Livescience & anderen