ประวัติย่อของ “เรดาร์” และใครคือผู้ริเริ่มในการนำมาใช้

เมื่อวานนี้ (13 เมษายน) มีความสำคัญที่หลายคนอาจยังไม่ทราบก็คือ เป็นวันคล้ายวันเกิด (13 เมษายน 1982) ของ Robert Watson-Watt นักประดิษฐ์สัญชาติบริเตน ผู้ได้รับคำยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งเรดาร์ อุปกรณ์ตรวจจับสัญญาณที่นอกจากจะมีส่วนช่วยทำให้ฝ่ายสัมพันธมิตรมีชัยในสงครามโลกครั้งที่ 2 แล้ว อุปกรณ์ชนิดนี่ยังถูกใช้งานรอบตัวของเรา ช่วยเพิ่มคุณภาพชีวิตและความปลอดภัยให้กับชีวิตประจำวันของเราอย่างมากมาย เนื่องด้วยครบรอบ 132 ชาตกาลของ Robert Watson-Watt จึงนำเสนอเรื่องราวของประวัติย่อของเรดาร์และหลักการทำงานของมัน

ต้นกำเนิดของเทคโนโลยีเรดาร์ที่ใช้งานอยู่นั้นเริ้มต้นมาจากการทำนายของแมกซ์เวลล์และการทดลองของเฮิร์ตซ์ในช่วงศตวรรษที่ 19 James Clerk Maxwell ได้เขียนทฤษฎีบทคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นโดยเขาได้อธิบายว่าแสงที่ตาของมนุษย์มองเห็นนั้นเกิดจากคลื่นที่เขาเรียกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งแสงเป็นเพียงคลื่นช่วงสั้น ๆ เพียงช่วงหนึ่งของความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ยังมีคลื่นที่มีความยาวคลื่นที่ยาวและกว้างกว่าคลื่นในช่วงแสงที่ตาเรามองเห็นอีกมากมาย ซึ่งคลื่นทั้งหมดที่กล่าวมานั้นเคลื่อนที่ผ่านอวกาศที่ไม่ต้องมีตัวกลางได้โดยการสั่นพ้องของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

ซึ่งต่อมา Heinrich Hertz ได้สาธิตและพิสูจน์ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ถึงการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงที่มีความยาวคลื่นที่สูงกว่าตาของเรามองเห็นโดยการทดลองของเฮิร์ตซ์นั้นใช้วงจรไฟฟ้าเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าความถี่สูง ซึ่งจะผลิตคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามมา จากนั้นเขาก็สังเกตพฤติกรรมของคลื่นเหล่านี้โดยใช้การตั้งค่าการทดลองต่าง ๆ รวมถึงการตรวจจับด้วยเครื่องรับที่ประกอบด้วยห่วงลวดที่มีช่องว่างเล็ก ๆ ที่เรียกว่าเสาอากาศ โดยหากเสาอากาศวงกลมของเขาสามารถรับสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดคลื่น มันจะทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำมายังเสาอากาศและเกิดเป็นประกายไฟขึ้นที่ห่วงขดลวดเสาอากาศของเขา

การทดลองของเฮิร์ตซ์ยืนยันการคาดการณ์หลายประการของแมกซ์เวลล์เกี่ยวกับคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รวมถึงสมบัติในการเดินทางผ่านอวกาศ สะท้อน หักเห แทรกสอดและการเลี้ยวเบน เหมือนกับคลื่นแสงทุกประการ ซึ่งนั้นทำให้หลังจากนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างเหล่านี้ถูกนำมาใช้งานในการส่งสัญญาณวิทยุ และเราเรียกคลื่นเหล่านี้ว่าคลื่นวิทยุ

การมาถึงของเทคโนโลยีเรดาร์นั้นมาจากการสะสมองค์ความรู้และการลองผิดลองถูกจากทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ ซึ่งในช่วงต้นทศวรรษที่ 1900 Christian Hülsmeyer ได้สร้างสิ่งประดิษฐ์ที่เขาเรียกว่า telemobiloscope ขึ้นมาจากการต้องการเพิ่มความปลอดภัยในการเดินเรือของยุคสมัยนั้น เนื่องจากในยุคสมัยนั้นการจะหลีกเลี่ยงการชนของเรือกับวัตถุกลางทะเลนั้นจำเป็นต้องใช้ยามในการสอดส่องบนเสากระโดงเรือ ซึ่งการใช้เพียงสายตาสอดส่องนั้นเป็นไปได้ยากยามที่ทัศนวิสัยต่ำ เช่น หมอกลงจัด หรือ คืนเดือนมืด ทำให้ในสมัยนั้นเมื่อทัศนวิสัยแย่จึงมีการเฉี่ยวชนและอุบัติเหตุในการเดินเรือมากมาย เขาจึงใช้แนวคลื่นวิทยุที่มีอำนาจทะลุทะลวงสูงในการวัดระยะเวลาที่สัญญาณเดินทางออกไปและเดินทางสะท้อนกลับมาเพื่อใช้ในการระบุถึงวัตถุที่อยู่ใกล้ โดยอุปกรณ์ telemobiloscope ที่ถูกสร้างขึ้นมานั้นไม่สามารถที่จะบอกระยะห่างของวัตถุในหน่วยตัวเลข แต่จะเป็นลักษณะของสัญญาณเสียงที่เกิดจากกระดิ่งที่ถูกเชื่อมเข้ากับตัวรับสัญญาณ ซึ่งหากวัตถุอยู่ใกล้ สัญญาณวิทยุที่สะท้อนกลับมาจากตัววัตถุหรือเรือนั้นจะชัดขึ้น สัญญาณไฟฟ้าจะตีกระดิ่งด้วยความถี่ที่มากขึ้นและชัดเจนมากยิ่งขึ้น นั้นทำให้สามารถบ่งบอกได้ว่ามีวัตถุที่อยู่ใกล้เรือ จึงควรระมัดระวังหลีกเลี่ยงการชนกับวัตถุที่อยู่ตรงหน้า

อุปกรณ์ telemobiloscope ถูกนำมาจัดแสดงในงาน Berlin Industrial Exposition ในปี 1904 ถึงแม้เทคโนโลยีชนิดนี้จะสามารถช่วยยกระดับของความปลอดภัยได้จริง แต่ในช่วงเวลานั้นอุตสาหกรรมเดินเรือยังไม่เห็นถึงความสำคัญของตัวเทคโนโลยีต้นกำเนิดของเรดาร์ชนิดนี้ ทำให้อุปกรณ์นี้ยังคงไม่เป็นที่ยอมรับของสังคมมากเท่าที่ควร แต่ถึงกระนั้นเราสามารถเรียกอุปกรณ์ชนิดนี้ได้ว่า เทคโนโลยีเรดาร์รุ่นแรก ๆ ของโลก

สิ่งที่ผู้คนมักสับสนคือเครื่อง telemobiloscope ที่ Christian Hülsmeyer สร้างขึ้นมานั้นมีแรงบันดาลใจมาจากความต้องการพัฒนาและยกระดับความปลอดภัยในการเดินเรือเนื่องจากอุบัติเหตุการล่มของเรือไททานิคในปี 1912 ทำให้เขาพัฒนาอุปกรณ์ชนิดนี้ขึ้นมา แต่ว่าอุปกรณ์ telemobiloscope นั้นถูกจดสิทธิบัตรและได้รับการโชว์ในงาน Berlin Industrial Exposition ตั้งแต่ปี 1904 ก่อนเหตุการณ์การจมของเรือไททานิค ดังนั้นสาเหตุการจมของเรือไททานิคไม่ใช่สาเหตุของการสร้างเครื่อง telemobiloscope ขึ้นมา

เรดาร์ที่ถูกนำมาใช้งานจริงจังนั้นเริ่มขึ้นในช่วงภายหลังสงครามโลกครั้งที่หนึ่งเนื่องด้วยการมาถึงของเทคโนโลยี Vacuum Tube ซึ่งสามารถนำมาใช้งานต่อเป็นวงจรตรรกะ (Logic gate) ซึ่งนำมาพัฒนาต่อเป็นวงจรขยายสัญญาณและวงจรอื่น ๆ ได้อีกมากมาย ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ความต้องการของเทคโนโลยีที่ใช้ในการตรวจจับอากาศยานมีความต้องการสูงขึ้น ในช่วงทศวรรษที่ 1930 เป็นช่วงเวลาที่ภัยคุกคามจากเทคโนโลยีเครื่องบินทิ้งระเบิดยุคสมัยใหม่เพิ่มมากยิ่งขึ้น ด้วยเทคโนโลยีเครื่องบินสมัยใหม่ทำให้เครื่องบินทิ้งระเบิดบินได้สูงขึ้นถึงระดับที่ปืนต่อต้านอากาศยานไม่สามารถที่จะยิงขึ้นไปถึง หน้าที่ของการสกัดเครื่องบินทิ้งระเบิดเหล่านั้นจึงเป็นของเครื่องบินขับไล่ เพียงแต่ว่าเมื่อเครื่องบินทิ้งระเบิดมาถึงน่านฟ้าที่สังเกตได้แล้ว เมื่อส่งสัญญาณประกาศให้เครื่องบินขับไล่ออกบิน ช่วงเวลาที่ตัวเครื่องบินจะออกบินและไต่ระดับความสูงขึ้นไปจนถึงระดับความสูงเดียวกับเครื่องบินทิ้งระเบิดนั้นไม่มากพอ เครื่องบินทิ้งระเบิดสามารถที่จะสร้างความเสียหายให้กับพื้นที่ที่อยู่อาศัยของพลเมืองได้แล้ว นั้นทำให้ทางกองทัพอากาศอังกฤษต้องการที่จะหาเทคโนโลยีที่สามารถช่วยสังเกตถึงภัยคุกคามเหล่านี้ก่อนที่จะมาถึงได้ก่อนหน้าที่จะมาถึงเขตพื้นที่และเมืองสำคัญ

ในช่วงเวลาเดียวกันความกังวลเกี่ยวกับภัยคุกคามใหม่ก็มาถึงเมื่อมีข่าวลือถึงเทคโนโลยีลำแสงพิฆาตกำลังถูกพัฒนาอย่างลับ ๆ โดยนาซีเยอรมัน ซึ่งกระทรวงการบินได้สงสัยและได้ส่งบันทึกข้อความลับไปยัง Robert Watson-Watt ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านคลื่นวิทยุในเวลานั้นถึงความเป็นไปได้ของปืนลำแสงพิฆาตและเป็นไปได้หรือไม่ที่มันจะถูกติดตั้งบนเครื่องบินทิ้งระเบิดและยิงแสงลงมาทำลายบ้านเมืองเหมือนในนวนิยาย ซึ่งคำตอบของวัตต์นั้นตอบกลับไปว่าสิ่งนี้ไม่มีทางเป็นไปได้ ซึ่งนั้นสามารถคลายความกังวลใจของประชาชนได้ และข่าวลือเกี่ยวกับปืนลำแสงพิฆาตก็ค่อย ๆ หายไปตามกาลเวลา

ซึ่งต่อมา Robert Watson-Watt ได้เข้ามาเกี่ยวข้องกับงานด้านของคลื่นวิทยุและการตรวจจับวัตถุเหนือน่านฟ้า เมื่อเขาคิดว่าเขามีแนวคิดในการใช้เสาส่งสัญญาณ ในการส่งสัญญาณไปยังเครื่องบินและวัดสัญญาณการสะท้อนกลับของสัญญาณเหล่านั้นเพื่อทำการคำนวณระยะห่างของเครื่องบินได้ เขาได้ทำบันทึกข้อความลับส่งไปยังรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการบินในเวลานั้นเพื่อให้รับชมการทดลองเรื่องวิธีที่เขาใช้งาน ซึ่งเขาได้ทำการทดสอบวิธีการของเขากับเครื่องบินทิ้งระเบิด Handley Page Heyford ของอังกฤษ ซึ่งจากการทดลองและสาธิต วิธีการของเขาสามารถตรวจจับเครื่องบินทิ้งระเบิดได้ถูกต้องซึ่งนั้นเป็นการพิสูจน์ทฤษฎีการใช้คลื่นวิทยุในการตรวจจับเครื่องบินทิ้งระเบิดของเขา

อุปกรณ์ตรวจจับตำแหน่งเครื่องบินของเขาถูกนำมาพัฒนาเพื่อใช้เตรียมพร้อมสำหรับการตรวจจับและสังเกตเครื่องบินของศัตรูเท่านั้น และมันถูกพัฒนาต่อเป็นระบบที่มีชื่อว่า เครือข่ายเรดาร์ Chain Home ระบบเครือข่ายเรดาร์ที่มีความสำคัญกับช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเป็นอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงยุทธการปกป้องบริเตน ที่เครื่องบินทิ้งระเบิดของนาซีเข้ามาโจมตีพื้นที่สำคัญของอังกฤษอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีเรดาร์ Chain Home นั้นสามารถขยายขอบเขตของสัญญาณการมาถึงของเครื่องบินทิ้งระเบิดของนาซีได้ออกไปไกลกว่า 100 กิโลเมตรจากชายฝั่งของอังกฤษ ช่วยแจ้งเตือนการมาถึงของเครื่องบินทิ้งระเบิดของข้าศึกและทำให้เครื่องบินขับไล่สามารถออกขึ้นบินได้ทันต่อการมาถึงของเครื่องบินข้าศึก

ถึงแม้ Robert Watson-Watt จะไม่ใช่ผู้นำทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์มาใช้งานเพื่อตรวจจับวัตถุจริงเป็นคนแรก แต่เขาก็นำองค์ความรู้ทั้งด้านของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ผนวกเข้าด้วยกันเพื่อสร้างอุปกรณ์เรดาร์เพื่อตรวจจับวัตถุจากบนท้องฟ้าและแก้ปัญหาเกี่ยวกับการรับสัญญาณและการแปรสัญญาณต่าง ๆ มากมายที่เคยเป็นปัญหามาก่อนในอดีต ทำให้เทคโนโลยีเรดาร์สามารถนำมาใช้งานได้จริง จึงไม่แปลกหากเราจะยกย่องว่า Robert Watson-Watt เป็นบิดาแห่งระบบเครือข่ายเรดาร์ ซึ่งด้วยเทคโนโลยีเรดาร์ของเขาจะถูกพัฒนาเพื่องานทางการทหาร แต่ต่อมามันถูกนำมาใช้เพื่อยกระดับความปลอดภัยของชีวิตประชาชนในการนำมาใช้เพื่อระบุตำแหน่งของเครื่องบิน ลดปัญหาการชนกันของเครื่องบินกลางอากาศ ทำให้สามารถทำการควบคุมการจราจรทางอากาศได้ อีกทั้งเทคโนโลยีเรดาร์นั้นยังนำมาใช้ต่อเนื่องเป็นเทคโนโลยีในการตรวจวัดสภาพอากาศเพื่อใช้ในการพยากรณ์อากาศได้อีกด้วย ซึ่งปฏิเสธไม่ได้ว่าทำไมเทคโนโลยีของเรดาร์เป็นอีกเทคโนโลยีที่มีความสำคัญกับกิจกรรมของมนุษย์ในปัจจุบันเป็นอย่างมาก

เรียบเรียงโดย : จิรสิน อัศวกุล

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS  

ที่มาข้อมูล:

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech