Die Geschichte des Relais: das elektronische Zeitalter

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Im letztes Mal Wir sahen, wie die erste Generation digitaler Computer auf der Grundlage der ersten Generation automatischer elektrischer Schalter – elektromagnetischer Relais – aufgebaut wurde. Doch zu dem Zeitpunkt, als diese Computer geschaffen wurden, wartete ein weiterer digitaler Schalter im Hintergrund auf seinen Auftritt. Das Relais war ein elektromechanisches Gerät (das Elektrizität zur Steuerung eines mechanischen Schalters nutzte), während die neue Klasse digitaler Schalter elektronisch war – basierend auf neuem Wissen über das Elektron, das zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstand. Diese Wissenschaft zeigte, dass der Träger elektrischer Energie kein Strom, keine Welle, kein Feld – sondern ein fester Bestandteil war.

Das Gerät, das die Ära der Elektronik einleitete, die auf dieser neuen Physik basierte, wurde als „Elektronenröhre“ [in den USA – vacuum tube oder „Vakuumröhre“] bekannt. An ihrer Entstehung waren zwei Personen beteiligt: der Engländer Ambrose Fleming und der Amerikaner Lee de Forest. Tatsächlich ist die Herkunft der Elektronik komplizierter, sie entspringt vielen Fäden, die Europa und den Atlantik durchziehen und bis zu den frühen Experimenten mit Leydener Flaschen im Mittel des 18. Jahrhunderts zurückreichen.

Doch im Rahmen unserer Ausführungen wird es praktisch sein, diese Geschichte (Wortspiel!) mit Thomas Edison zu beginnen. In den 1880er Jahren machte Edison eine interessante Entdeckung, während er an elektrischer Beleuchtung arbeitete – diese Entdeckung bereitete die Bühne für unsere Geschichte. Von hier aus entwickelte sich die Elektronenröhren weiter, die für zwei technologische Systeme erforderlich waren: eine neue Form der drahtlosen Nachrichtenübermittlung und ständig wachsende Telefonnetze.

Prolog: Edison

Edison wird allgemein als der Erfinder der Glühbirne angesehen. Das verleiht ihm sowohl zu viel als auch zu wenig Ehre. Zu viel, da nicht Edison allein die glühende Lampe erfand. Neben einer Vielzahl von Vorgängern, deren Erfindungen nie kommerziell umgesetzt wurden, sind Joseph Swan und Charles Stearns aus Großbritannien sowie der Amerikaner William Sawyer zu erwähnen, die ihre Glühbirnen gleichzeitig mit Edison auf den Markt brachten. [Das Verdienst der Erfindung gehört auch dem russischen Erfinder Alexander Nikolajewitsch Lodygin. Lodygin war der Erste, der erkannte, dass man die Luft aus der Glaslampe absaugen konnte, und dann schlug er vor, den Glühfaden nicht aus Kohle oder verkohlten Fasern, sondern aus hitzebeständigem Wolfram herzustellen.]. Alle Lampen bestanden aus einer versiegelten Glassäule, in der sich ein Widerstandsfaden befand. Beim Einschalten der Lampe in den Stromkreis erzeugte die Wärme, die durch den Widerstand des Fadens gegen den Strom entstand, ein Licht. Aus der Säule wurde die Luft abgesaugt, damit der Faden nicht in Brand geriet. Elektrisches Licht war bereits in großen Städten in Form von Lampen mit Lichtbogen, die zur Beleuchtung großer öffentlicher Plätze eingesetzt wurden. All diese Erfinder suchten nach einem Weg, die Lichtmenge zu reduzieren, indem sie einen hellen Teil von der brennenden Bogenlampe entnahmen, der klein genug war, um ihn in Haushalten zur Ablösung von Gaslampen zu verwenden, und um die Lichtquelle sicherer, sauberer und heller zu machen.

Was Edison tatsächlich machte – genauer gesagt, was sein industrielles Laboratorium schuf – war nicht nur die Erzeugung einer Lichtquelle. Sie bauten ein ganzes elektrisches System zur Beleuchtung von Häusern – Generatoren, Drähte zur Übertragung des Stroms, Transformatoren usw. All das zusammen war die Glühbirne nur die offensichtlichste und sichtbarste Komponente. Die Präsenz von Edisons Namen in seinen Unternehmen, die Elektrizität produzierten, war keine einfache Verbeugung vor einem großartigen Erfinder, wie im Fall von Bell Telephone. Edison bewies sich nicht nur als Erfinder, sondern auch als Systemarchitekt. Sein Laboratorium setzte die Arbeit zur Verbesserung verschiedener Komponenten der elektrischen Beleuchtung auch nach ihrem frühen Erfolg fort.

Ein Exemplar der frühen Edisonschen Lampen

Irgendwann im Jahr 1883 beschloss Edison (oder möglicherweise einer seiner Mitarbeiter), zusammen mit dem Glühfaden eine metallene Platte in die leuchtende Lampe einzuschließen. Die Gründe für diesen Schritt sind unklar. Möglicherweise war es ein Versuch, die Verdunkelung der Lampe zu beseitigen – im Laufe der Zeit hatte sich im Inneren des Glaskolbens eine mysteriöse dunkle Substanz angesammelt. Der Ingenieur hoffte offenbar, dass sich diese schwarzen Partikel zur unter Spannung stehenden Platte hinziehen würden. Zu seiner Überraschung stellte er fest, dass, als die Platte mit dem positiven Ende des Fadens verbunden wurde, die Menge des durch den Faden fließenden Stroms direkt proportional zur Helligkeit des Fadens war. Bei der Verbindung der Platte mit dem negativen Ende des Fadens wurde nichts Ähnliches beobachtet.

Edison entschied, dass dieser Effekt, später als Edisoneffekt oder thermoelektronische Emission, zur Messung oder sogar zur Steuerung der „elektromotorischen Kraft“ oder Spannung in einem elektrischen System genutzt werden könnte. Gewohnheitsgemäß beantragte er ein Patent für diesen „elektrischen Indikator“ und kehrte dann zu wichtigeren Aufgaben zurück.

Drahtlos

Versetzen wir uns 20 Jahre in die Zukunft, ins Jahr 1904. Zu dieser Zeit arbeitete John Ambrose Fleming in England im Auftrag der Marconi Company an der Verbesserung eines Empfangsgeräts für Radiowellen.

Es ist wichtig zu verstehen, was Radio damals war und was nicht, sowohl aus Sicht des Instruments als auch aus praktischer Sicht. Radio wurde damals nicht einmal als „Radio“ bezeichnet, es hieß „wireless“ (drahtlos). Der Begriff „Radio“ setzte sich erst in den 1910er-Jahren durch. Genauer genommen handelte es sich um den drahtlosen Telegraphen – ein System zur Übertragung von Signalen in Form von Punkten und Strichen vom Sender zum Empfänger. Seine hauptsächliche Anwendung war die Kommunikation zwischen Schiffen und Hafenbehörden, und in dieser Hinsicht wurde es von maritimen Behörden auf der ganzen Welt interessiert verfolgt.

Einige Erfinder dieser Zeit, insbesondere Reginald Fessenden, experimentierten mit der Idee des Radiotelefons – der Übertragung von Sprachnachrichten durch die Luft in Form einer kontinuierlichen Welle. Doch das Broadcasting im modernen Sinne entstand erst 15 Jahre später: die Übertragung von Nachrichten, Geschichten, Musik und anderen Programmen für ein breites Publikum. Zuvor wurde die omnidirektionale Natur von Radiosignalen als Problem angesehen, das gelöst werden musste, und nicht als Besonderheit, die genutzt werden konnte.

Die damals vorhandene Radioausrüstung war gut für die Arbeit mit dem Morsealphabet geeignet, jedoch schlecht für alles andere. Die Sender erzeugten Hertz-Wellen, indem sie einen Funken durch einen Unterbrechung in der Schaltung sendeten. Daher wurde das Signal von einem Rauschen begleitet.

Die Empfänger erkannten dieses Signal durch einen Kohärer: Metallspäne in einem Glasrohr, die durch die Radio-wellen in eine kontinuierliche Masse gedrängt wurden und somit die Schaltung schlossen. Danach musste man auf das Glas klopfen, damit sich die Späne wieder trennten und der Empfänger bereit für das nächste Signal war – zunächst geschah dies manuell, aber bald gab es auch automatische Geräte dafür.

Im Jahr 1905 begann man erst langsam damit, kristalline Detektoren, auch bekannt als „Katze-Nase“. Es stellte sich heraus, dass man durch das bloße Berühren eines bestimmten Kristalls mit einem Draht, wie etwa Silizium, Eisenpyrit oder Galenzink, ein Radiosignal aus der Luft empfangen konnte. Die изготовленные Empfänger waren preiswert, kompakt und für jeden zugänglich. Sie förderten die Entwicklung des Amateurfunks, insbesondere unter Jugendlichen. Der plötzliche Anstieg der Nutzung des Funks führte zu Problemen, da der Radiofrequenzbereich unter allen Benutzern aufgeteilt werden musste. Unschuldige Gespräche von Amateuren konnten zufällig mit den Gesprächen des Schiffsverkehrs überlappen, und einige Scherzbolde schafften es sogar, falsche Befehle zu erteilen und Notsignale zu senden. Der Staat musste unvermeidlich eingreifen. Wie Ambrose Fleming selbst schrieb, führte das Erscheinen kristalliner Detektoren

Sofort führte dies zu einem Anstieg der verantwortungslosen Funktelegraphie durch die Streiche unzähliger Amateur-Elektriker und Schüler, was ein hartes Eingreifen nationaler und internationaler Behörden erforderte, um die Geschehnisse im Rahmen des Vernünftigen und Sichereren zu halten.

Aus den ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften dieser Kristalle wird irgendwann die dritte Generation von digitalen Schaltern hervorgehen, nach Relais und Glühbirnen – Schalter, die in unserer Welt dominieren. Aber alles zu seiner Zeit. Wir haben die Szene beschrieben, nun richten wir unsere ganze Aufmerksamkeit auf den Darsteller, der gerade ins Scheinwerferlicht trat: Ambrose Fleming, England, 1904.

Ventil

1904 war Fleming Professor für Elektrotechnik am University College London und Berater für die Marconi Company. Ursprünglich hatte die Firma ihn angestellt, um eine Expertenbewertung für den Bau eines Kraftwerks zu erhalten, doch dann übernahm er die Aufgabe, den Empfänger zu verbessern.

Fleming im Jahr 1890

Jeder wusste, dass der Kohärer ein schlechter Empfänger hinsichtlich der Empfindlichkeit war, und der von Macroni entwickelte magnetische Detektor war nicht besonders viel besser. Um einen Ersatz zu finden, beschloss Fleming zunächst, eine empfindliche Schaltung zum Nachweis von Hertz-Wellen zu bauen. Ein solches Gerät, selbst wenn es kein Detektor an sich war, wäre in zukünftigen Forschungen nützlich.

Dafür musste er einen Weg finden, die Stärke des Stroms zu messen, die von den ankommenden Wellen erzeugt wurde, anstatt einen diskreten Kohärer zu verwenden (er zeigte nur die Zustände ein – wo die Späne zusammenklebten, oder aus). Doch die bekannten Geräte zur Strommessung – Galvanometer – benötigten für ihren Betrieb Gleichstrom, also einen unidirektionalen Strom. Der Wechselstrom, der durch die Funkwellen angeregt wurde, änderte die Richtung so schnell, dass keine Messung möglich gewesen wäre.

Fleming erinnerte sich, dass in seinem Schrank einige interessante Dinge staubten – die Edison-Indikatorlampen. In den 1880er Jahren war er Berater für die Edison Electric Light Company in London und arbeitete an dem Problem, dass die Lampen schwarz wurden. Damals erhielt er mehrere Exemplare des Indikators, möglicherweise von William Prise, dem Chefingenieur der britischen Post, der gerade von einer elektrischen Ausstellung in Philadelphia zurückgekehrt war. Zu dieser Zeit war die Kontrolle über Telegraph und Telefon außerhalb der USA für Postdienste üblich, daher waren sie Zentren der elektrotechnischen Expertise.

Später, in den 1890er Jahren, untersuchte Fleming selbst den Edison-Effekt, indem er die von Prise erhaltenen Lampen verwendete. Er zeigte, dass der Effekt darin bestand, dass der Strom in eine Richtung floss: Ein negativer elektrischer Potenzial konnte von einem heißen Draht auf eine kalte Elektrode fließen, aber nicht umgekehrt. Aber erst 1904, als er die Aufgabe hatte, Radiowellen zu entdecken, verstand er, dass dieser Fakt praktisch genutzt werden konnte. Der Edison-Indikator würde nur gerichteten Impulsen von Wechselstrom erlauben, die Lücke zwischen Draht und Platte zu überbrücken, was einen konstanten und einseitigen Fluss erzeugte.

Fleming nahm eine Lampe, verband sie in Serie mit einem Galvanometer und schaltete den Funkensender ein. Voilà – der Spiegel drehte sich, und der Lichtstrahl bewegte sich auf der Skala. Es funktionierte. Er konnte das empfangene Radiosignal genau messen.

Prototypen des Fleming-Ventils. Die Anode befindet sich in der Mitte der Fadenwicklung (heißer Katode).

Fleming nannte seine Erfindung „Ventil“, da es Strom nur in eine Richtung durchließ. Allgemeiner gesagt war es ein Gleichrichter – eine Möglichkeit, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Später wurde er als Diode bezeichnet, da sie zwei Elektroden hatte – die heiße Kathode (Faden), die Strom erzeugte, und die kalte Anode (Platte), die ihn empfing. Fleming brachte einige Verbesserungen in das Design ein, aber im Grunde unterschied sich das Gerät nicht von der von Edison hergestellten Indikatorlampe. Ihr Übergang in eine neue Qualität geschah aufgrund eines Wechsel der Denkweise – ein Phänomen, das wir bereits mehrfach gesehen haben. Die Veränderung fand in der Welt der Ideen in Flemings Kopf statt und nicht in der Welt der Dinge außerhalb von ihr.

Der Fleming-Ventil an sich war nützlich. Es war das beste Feldgerät zur Messung von Radiosignalen und ein anständiger Detektor für sich. Aber die Welt war davon nicht erschüttert. Das explosive Wachstum der Elektronik begann erst, nachdem Lee de Forest eine dritte Elektrode hinzufügte und das Ventil in ein Relais verwandelte.

Abhören

Lee de Forest hatte eine ungewöhnliche Erziehung für einen Studenten aus Yale. Sein Vater, Reverend Henry de Forest, war ein Veteran des Bürgerkriegs aus New York und Pastor der kongregationalistischen Kirche, und glaubte fest daran, dass er als Prediger das göttliche Licht des Wissens und der Gerechtigkeit verbreiten sollte. Dem Ruf der Pflicht folgend, nahm er die Einladung an, Präsident des Talladega College in Alabama zu werden. Das College wurde nach dem Bürgerkrieg von der American Missionary Association mit Sitz in New York gegründet. Es war für die Ausbildung und Anleitung der einheimischen schwarzen Bevölkerung gedacht. Dort fühlte sich Lee zwischen Hammer und Amboss – die einheimischen Schwarzen erniedrigten ihn für seine Naivität und Feigheit, während die einheimischen Weißen ihn dafür verspotteten, dass er ein Yankee.

war. Und dennoch entwickelte der junge de Forest eine feste Selbstsicherheit. Er stellte fest, dass er eine Neigung zur Mechanik und zu Erfindungen hatte – sein maßstabsgetreues Modell einer Lokomotive wurde ein örtliches Wunder. Bereits in seiner Jugend, als er in Talladega war, beschloss er, sein Leben den Erfindungen zu widmen. Später, als junger Mann in der Stadt New Haven, legte der Sohn des Pastors seine letzten religiösen Überzeugungen ab. Diese verschwanden allmählich durch die Bekanntschaft mit dem Darwinismus, und dann wurden sie mit dem Tod seines Vaters wie weggeblasen. Doch das Gefühl, eine Bestimmung zu haben, ließ de Forest nicht los – er hielt sich für ein Genie und strebte danach, der zweite Nikola Tesla zu werden, reich, berühmt und geheimnisvoll, der Magier des elektrischen Zeitalters. Seine Kommilitonen an der Yale-Universität hielten ihn für einen selbstzufriedenen Schwätzer. Man könnte ihn als den unbeliebtesten Menschen betrachten, der in unserer Geschichte je begegnet ist.

de Forest, ca. 1900

Nachdem er 1899 sein Studium an der Yale-Universität abgeschlossen hatte, wählte de Forest die aufkommende Kunst der Übertragung von Funksignalen als Weg zu Reichtum und Ruhm. In den folgenden Jahrzehnten verfolgte er diesen Weg mit großer Entschlossenheit und Zuversicht, ohne zu zögern. Alles begann mit der Zusammenarbeit von de Forest und seinem Partner Ed Smite in Chicago. Smite hielt ihr Unternehmen mit regelmäßigen Zahlungen am Laufen, und gemeinsam entwickelten sie ihren eigenen Radio-Wellen-Detektor, der aus zwei metallischen Platten bestand, die mit einem von de Forest als «Paste» bezeichneten Kleber verbunden waren [goo]. Doch de Forest konnte nicht lange auf die Belohnungen seiner Genialität warten. Er trennte sich von Smite und kooperierte mit einem fragwürdigen Finanzier aus New York namens Abraham White [ironisch sein geburtsname Schwarz ablegte, um seine dunklen Geschäfte zu verbergen. White/White – (engl.) weiß, Schwarz/Schwarz – (deutsch) schwarz / Anm. d. Übers.], und gründete die De Forest Wireless Telegraph Company.

Die Aktivitäten des Unternehmens waren für beide Protagonisten eher nebensächlich. White nutzte die Unwissenheit der Leute aus, um sich die Taschen zu füllen. Er zog Millionen von Investoren an, die verzweifelt versuchten, den erwarteten Boom des Radios nicht zu verpassen. Und de Forest, dank der erheblichen finanziellen Mittel dieser "Opfer", konzentrierte sich darauf, sein Genie durch die Entwicklung eines neuen amerikanischen Systems der drahtlosen Informationsübertragung zu beweisen (im Gegensatz zu dem europäischen System, das von Marconi und anderen entwickelt wurde).

Leider funktionierte de Forests Detektor nicht besonders gut für das amerikanische System. Für eine Weile löste er dieses Problem, indem er das patentierte Design von Reginald Fessenden für einen Detektor mit dem Namen «Flüssigkeitsbarrier» ausleihte – zwei Platin Drähte, die in einer Wanne mit Schwefelsäure eingetaucht waren. Fessenden klagte wegen Patentverletzung – und diese Klage hätte er offensichtlich gewonnen. De Forest konnte nicht Ruhe geben, bis er einen neuen Detektor erfunden hatte, der nur ihm gehörte. Im Herbst 1906 kündigte er die Schaffung eines solchen Detektors an. Bei zwei verschiedenen Treffen im American Institute of Electrical Engineers beschrieb de Forest seinen neuen drahtlosen Detektor, den er «Audion» nannte. Doch seine wirkliche Herkunft wirft Fragen auf.

Eine Zeit lang konzentrierten sich de Forrests Versuche, einen neuen Detektor zu bauen, darauf, den Strom durch die Flamme zu leiten. Bunsenbrenner, die seiner Meinung nach ein asymmetrischer Leiter sein könnte. Die Idee hatte anscheinend keinen Erfolg. Irgendwann im Jahr 1905 erfuhr er von der Fleming-Ventil. De Forrest war überzeugt, dass dieses Ventil und sein Gerät auf der Basis des Bunsenbrenners prinzipiell nicht verschieden waren – wenn man den heißen Draht durch Flamme ersetzt und ihn mit einer Glasglocke abdeckt, um das Gas zu begrenzen, erhält man dasselbe Ventil. Er entwickelte eine Reihe von Patenten, die die Vorgeschichte der Erfindungen vor dem Fleming-Ventil mithilfe von Detektoren auf Gasflammenbasis wiederholten. Offensichtlich wollte er sich das Urheberrecht an der Erfindung sichern und das Fleming-Patent umgehen, da die Arbeiten mit dem Bunsenbrenner der Arbeit Flemings vorausgingen (sie begannen 1900).

Es ist unmöglich zu sagen, ob es sich um Selbsttäuschung oder Betrug handelte, aber in der Folge wurde im August 1906 ein Patent von de Forrest auf einen "entleerten Glasbehälter, der zwei getrennte Elektroden enthält, zwischen denen ein gasförmiges Medium existiert, das bei ausreichender Erwärmung zum elektrischen Leiter wird und ein empfindliches Element bildet" erteilt. Die Ausrüstung und die Funktionsweise des Geräts gehören Fleming, während die Erklärung seiner Funktionsweise de Forrest zugeschrieben wird. De Forrest verlor letztendlich den Patentrechtsstreit, obwohl dies zehn Jahre dauerte.

Ungeduldige Leser könnten sich bereits fragen, warum wir so viel Zeit mit diesem Mann verbringen, dessen selbsternannter Genius darin bestand, die Ideen anderer als seine eigenen auszugeben? Der Grund liegt in den Veränderungen, die der Audion in den letzten Monaten des Jahres 1906 erfahren hat.

Zu diesem Zeitpunkt hatte de Forrest keine Arbeit. White und seine Partner entzogen sich der Verantwortung in Bezug auf die Klage von Fessenden, indem sie ein neues Unternehmen, United Wireless, gründeten und ihm die Vermögenswerte von American De Forest für $1 liehen. De Forrest wurde mit $1000 Abfindung und ein paar nutzlosen Patenten, einschließlich des Patents auf den Audion, entlassen. Gewöhnt an einen verschwenderischen Lebensstil, sah er sich ernsthaften finanziellen Schwierigkeiten gegenüber und versuchte verzweifelt, den Audion zu einem großen Erfolg zu machen.

Um zu verstehen, was danach passierte, ist es wichtig zu wissen, dass de Forest glaubte, er habe das Relais erfunden - im Gegensatz zum Gleichrichter von Fleming. Er stellte sein Audion her, indem er eine Batterie an die kalte Platte eines Ventils anschloss, und dachte, dass das Signal im Antennenschema (das mit dem heißen Draht verbunden war) einen stärkeren Strom im Batterieschema modulierte. Er lag falsch: Es waren nicht zwei Schaltungen, die Batterie verschob einfach das Signal von der Antenne, anstatt es zu verstärken.

Aber dieser Fehler wurde entscheidend, da er de Forest dazu brachte, mit einer dritten Elektrode in der Glühbirne zu experimentieren, die die beiden Schaltungen dieses "Relais" weiter trennen sollte. Zunächst fügte er eine zweite kalte Elektrode neben die erste hinzu, doch dann, möglicherweise beeinflusst durch Steuermechanismen, die von Physikern zur Umlenkung von Strahlen in Elektronenstrahlgeräten verwendet werden, verschob er die Elektrode an einen Platz zwischen Draht und Primärplatte. Er entschied, dass diese Position den Stromfluss unterbrechen könnte, und änderte die Form der dritten Elektrode von einer Platte zu einem wellenförmigen Draht, der einem Raspel ähnelte - und nannte ihn "Gitter".

Triode Audion von 1908. Der Draht (unterbrochen) links ist der Kathode, der wellenförmige Draht ist das Gitter, die abgerundete Metallplatte ist der Anode. Es hat immer noch ein Gewinde wie eine gewöhnliche Glühbirne.

Und das war tatsächlich ein Relais. Ein schwacher Strom (so wie er von einer Radioantenne kommt), der auf das Gitter gegeben wurde, konnte einen viel stärkeren Strom zwischen Draht und Platte steuern, indem er geladene Teilchen abstoßend anziehend machte, die versuchten, zwischen ihnen zu wechseln. Dieser Detektor arbeitete viel besser als das Ventil, da er nicht nur gleichrichtete, sondern auch das Radiosignal verstärkte. Und wie das Ventil (und im Gegensatz zum Kohärerer) konnte er ein konstantes Signal abgeben, was es ermöglichte, nicht nur einen Funktelegramm, sondern auch ein Radiotelefon (und später die Übertragung von Sprache und Musik) zu erzeugen.

In der Praxis funktionierte er jedoch nicht besonders gut. De Forests Audions waren wählerisch, brannten schnell durch, es fehlte an gleichbleibender Qualität bei ihrer Herstellung, und als Verstärker waren sie ineffizient. Damit ein bestimmtes Audion richtig funktionierte, mussten die elektrischen Parameter des Schaltkreises an es angepasst werden.

Dennoch glaubte de Forest an seine Erfindung. Zur Werbung organisierte er eine neue Firma, die De Forest Radio Telephone Company, doch die Verkaufszahlen blieben gering. Der größte Erfolg war der Verkauf von Ausrüstung an die Marine für die interne Telefonie während der Weltumsegelung von „der Großen weißen Flotte“. Doch der Flottenkommandeur, der keine Zeit hatte, um die Sender und Empfänger von de Forest zum Laufen zu bringen und die Mannschaft in deren Nutzung einzuweisen, befahl, sie zu verpacken und im Lager zu lassen. Zudem war de Forests neue Firma, geleitet von einem Anhänger von Abraham White, nicht mehr redlich als die vorherige. Zusätzlich zu seinen Misserfolgen geriet er bald in den Verdacht des Betrugs.

In fünf Jahren erreichte Audion nichts. Und wieder spielte das Telefon eine Schlüsselrolle in der Entwicklung von digitalen Relais, diesmal, um eine vielversprechende, aber unbewiesene Technologie vor dem Vergessen zu bewahren.

Und wieder das Telefon

Das Fernkommunikationsnetz war das zentrale Nervensystem von AT&T. Es verband zahlreiche lokale Unternehmen und bot einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil nach Ablauf der Patente von Bell. Ein neuer Kunde, der sich mit dem AT&T-Netz verband, konnte theoretisch alle anderen Teilnehmer erreichen, die sich Tausende von Kilometern entfernt befanden – obwohl Fernanrufe tatsächlich selten getätigt wurden. Auch das Netzwerk war die materielle Grundlage für die umfassende Ideologie des Unternehmens „Eine Politik, ein System, universeller Service“.

Doch mit Beginn des zweiten Jahrzehnts des zwanzigsten Jahrhunderts hatte dieses Netzwerk das physische Maximum erreicht. Je weiter die Telefonleitungen gezogen wurden, desto schwächer und rauschender wurde das durch sie übertragene Signal, und schließlich war die Sprache praktisch ununterscheidbar. Deshalb gab es in den USA tatsächlich zwei AT&T-Netze, die durch den kontinentalen Hauptkamm getrennt waren.

Für das östliche Netzwerk war New York der Ankerpunkt, und mechanische Repeater und Pupin-Spulen – einer Begrenzung, die festlegte, wie weit die menschliche Stimme gelangen konnte. Doch diese Technologien waren nicht allmächtig. Spulen veränderten die elektrischen Eigenschaften des Telefonkreises und verringerten die Dämpfung der Sprachfrequenzen – sie konnten sie jedoch nur reduzieren, nicht beseitigen. Mechanische Repeater (einfach nur ein Telefonlautsprecher, der mit einem verstärkenden Mikrofon verbunden ist) fügten bei jedem Wiederholen Rauschen hinzu. Die Leitung von 1911 von New York nach Denver führte diese Bindung auf die maximale Länge. An eine Ausdehnung des Netzes über den gesamten Kontinent war nicht zu denken. Doch im Jahr 1909 versprach John Carthy, der Chefingenieur von AT&T, öffentlich, genau das zu tun. Er versprach, dies innerhalb von fünf Jahren zu erreichen – bis zur Eröffnung der Panama-Pacific International Exposition in San Francisco im Jahr 1915.

Der Erste, der ein solches Unternehmen mit Hilfe eines neuen Telefonverstärkers ermöglichen konnte, war kein Amerikaner, sondern ein Nachkomme einer wohlhabenden Wiener Familie, der sich für Wissenschaft interessierte. In seiner Jugend Robert von Lieben kaufte mit den Mitteln seiner Eltern eine Telefonproduktionsfirma und hatte sich vorgenommen, einen Verstärker für Telefonate zu entwickeln. Bis 1906 hatte er ein Relais auf Basis von Elektronenstrahlröhren konstruiert, die zu dieser Zeit in physikalischen Experimenten weit verbreitet waren (und später die Grundlage für die im 20. Jahrhundert dominierenden Videotechnologien bildeten). Ein schwaches Eingangssignal steuerte ein Elektromagnet, der den Strahl ablenkte und einen stärkeren Strom im Hauptkreis modulierte.

Bis 1910 hatten von Lieben und seine Kollegen, Eugene Reiss und Sigmund Strauss, vom Audion de Forest erfahren und den Magneten in der Röhre durch ein Gitter ersetzt, das die Kathodenstrahlen steuerte – dieses Design war das effektivste und übertraf alle zu diesem Zeitpunkt in den USA entwickelten Technologien. Das deutsche Telefonnetz nahm bald den Verstärker von Lieben in Betrieb. Im Jahr 1914 konnte dank ihm ein nervenaufreibender Telefonanruf des Kommandeurs der Ostpreußischen Armee an den deutschen Stab erfolgen, der 1000 Kilometer entfernt in Koblenz lag. Dies veranlasste den Stabschef, die Generäle Hindenburg und Ludendorff nach Osten zu senden, zu ewiger Ruhm und schweren Konsequenzen. Solche Verstärker verbanden später auch den deutschen Stab mit den Feldarmeen im Süden und Osten bis nach Mazedonien und Rumänien.

Eine Kopie des verbesserten Kathodenstrahlrelais von von Liben. Die Kathode befindet sich unten, die Anode ist die Spule oben, und das Gitter ist eine runde Metallfolie in der Mitte.

Aber sprachliche und geografische Barrieren sowie der Krieg führten dazu, dass solch ein Design nicht bis in die USA gelangte und bald darauf andere Ereignisse es bereits überholten.

Zu dieser Zeit hatte de Forest die bankrotte Radio Telephone Company im Jahr 1911 verlassen und war nach Kalifornien geflohen. Dort fand er eine Anstellung bei der Federal Telegraph Company in Palo Alto, die von einem Absolventen der Stanford University gegründet wurde. Cyril Elwell. Nominell sollte de Forest an einem Verstärker arbeiten, der die Lautstärke des Ausgangssignals des Bundesradiogeräts erhöht. Tatsächlich befassten sich er, Herbert van Etten (ein erfahrener Telefoningenieur) und Charles Logwood (ein Empfängerentwickler) mit der Konstruktion eines Telefonverstärkers, um gemeinsam einen Preis von AT&T zu gewinnen, der angeblich bei 1 Million Dollar lag.

Um dies zu erreichen, holte de Forest einen Audion aus dem Speicher, und bis 1912 hatten er und seine Kollegen bereits ein Gerät, das bereit war, in der Telefonfirma demonstriert zu werden. Es bestand aus mehreren in Reihe geschalteten Audions, die eine mehrstufige Verstärkung erzeugten, und einigen weiteren unterstützenden Komponenten. Das Gerät funktionierte grundsätzlich – es konnte das Signal genug verstärken, damit Sie hörten, wie ein Taschentuch fiel oder eine Taschenuhr tickte. Aber nur bei Strömen und Spannungen, die zu gering waren, um in der Telefonie nützlich zu sein. Bei Erhöhung des Stroms begannen die Audions, ein blaues Licht auszusenden, und das Signal verwandelte sich in ein Rauschen. Doch die Telefoningenieure waren genug interessiert, um das Gerät ihren Ingenieuren zu übergeben und zu sehen, was sie damit anstellen könnten. Es stellte sich heraus, dass einer von ihnen, der junge Physiker Harold Arnold, genau wusste, wie man den Verstärker von Federal Telegraph repariert.

Es ist an der Zeit zu besprechen, wie das Ventil und der Audion arbeiteten. Das Schlüsselverständnis, das für die Erklärung ihrer Funktionsweise notwendig ist, entstand im Cavendish-Labor in Cambridge – einem intellektuellen Zentrum der neuen Elektronikphysik. Im Jahr 1899 zeigte J. J. Thomson in Experimenten mit Kathodenstrahlröhren, dass ein Teilchen mit Masse, das später als Elektron bekannt wurde, den Strom von der Kathode zur Anode transportiert. In den folgenden Jahren entwickelte Owen Richardson, ein Kollege von Thomson, diese Annahme zu einer mathematischen Theorie der thermionischen Emission weiter.

Ambrose Fleming, ein Ingenieur, der mit einer kurzen Zugfahrt von Cambridge entfernt arbeitete, war mit diesen Arbeiten vertraut. Es war ihm klar, dass sein Ventil durch die thermionische Emission von Elektronen von einem erhitzten Draht, der das Vakuum zur kalten Anode überquerte, funktionierte. Doch das Vakuum in der Indikatorlampe war nicht tief – für eine gewöhnliche Glühbirne war das auch nicht notwendig. Es genügte, so viel Sauerstoff abzusaugen, dass der Draht nicht entzündete. Fleming erkannte, dass das Ventil am besten funktionierte, wenn man es so gründlich wie möglich entleerte, damit das verbleibende Gas den Elektronenstrom nicht störte.

De Forest verstand das nicht. Da er über Experimente mit dem Bunsenbrenner zu Ventil und Audion kam, war sein Überzeugung gegenteilig – dass ein heißer, ionisierter Gas das Arbeitsmedium des Geräts war und dass die vollständige Entfernung desselben zu einem Stillstand der Funktion führen würde. Aus diesem Grund arbeitete der Audion so instabil und unzufriedenstellend als Radioempfänger, und deshalb strahlte er blaues Licht aus.

Arnold bei AT&T befand sich in der idealen Situation, um den Fehler von de Forest zu korrigieren. Er war Physiker, der bei Robert Millikan an der University of Chicago studiert hatte, und wurde speziell eingestellt, um sein Wissen über die neue Elektronikphysik auf die Aufgabe der Schaffung eines landesweiten Telefonnetzes anzuwenden. Er wusste, dass die Audion-Lampe am besten in einem nahezu perfekten Vakuum funktionierte, wusste, dass die neuesten Pumpen solch ein Vakuum erreichen konnten, und erkannte, dass ein neuer Typ Draht, der mit Oxid beschichtet war, zusammen mit einer vergrößerten Platte und einem Gitter ebenfalls den Elektronenfluss erhöhen konnte. Kurz gesagt, er verwandelte den Audion in eine Elektronenlampe, das Wundermittel der elektronischen Ära.

AT&T hatte einen leistungsstarken Verstärker, der für den Bau einer transkontinentalen Leitung erforderlich war – es fehlten nur die Rechte zu seiner Nutzung. Vertreter des Unternehmens verhielten sich misstrauisch während der Verhandlungen mit De Forest, führten jedoch ein separates Gespräch über einen externen Anwalt, der die Rechte zur Nutzung von Audion als Telefonverstärker für 50.000 $ (rund 1,25 Millionen $ in Dollar von 2017) erwarb. Die Linie New York – San Francisco wurde genau rechtzeitig eröffnet, war jedoch mehr ein Triumph technischer Virtuosität und Unternehmenswerbung als ein Kommunikationsmittel. Die Gesprächskosten waren so astronomisch, dass kaum jemand sie nutzen konnte.

Die elektronische Ära

Die echte Elektronenröhre wurde zur Wurzel eines völlig neuen Baumes elektronischer Komponenten. Wie Relais erweiterte die Elektronenröhre ständig die Möglichkeiten ihrer Anwendung, als Ingenieure neue Wege fanden, ihre Konstruktion an spezifische Aufgaben anzupassen. Das Wachstum des ‚-oden‘ Stammes endete nicht mit Dioden und Trioden. Es setzte sich fort mit Tetron, das ein zusätzliches Gitter hinzufügte, das die Verstärkung mit dem Wachstum der Elemente im Schaltkreis unterstützte. Darauf folgten Pentoden, Heptoden, und sogar Octoden. Es kamen Thyristoren auf, die mit Quecksilberdampf gefüllt waren und in unheimlichem blauen Licht leuchteten. Miniaturröhren in der Größe eines kleinen Fingers oder sogar einer Eichel. Röhren mit indirekt beheiztem Kathoden, bei denen das Brummen der Wechselstromquelle das Signal nicht störte. Das Buch „Saga der Elektronenröhre“ [Saga of the Vacuum Tube], das das Wachstum der Röhrenindustrie bis 1930 beschreibt, listet mehr als 1000 verschiedene Modelle nach ihrem Index auf – obwohl viele von ihnen illegale Kopien von unseriösen Marken wie Altron, Perfectron, Supertron, Voltron usw. waren.

Wichtiger als die Vielfalt der Formen war die Vielfalt der Anwendungen der Elektronenröhre. Regenerative Schaltungen verwandelten das Triod in einen Sender, der glatte und konstante Sinuswellen erzeugte, ohne störende Funken, und in der Lage war, den Klang perfekt zu übertragen. Mit einem Kohärator und Funken konnte Marconi 1901 kaum einen kurzen Abschnitt des Morsealphabets über einen schmalen Teil des Atlantiks übertragen. 1915 konnte AT&T mit Hilfe der Elektronenröhre als Sender und Empfänger die menschliche Stimme von Arlington, Virginia, bis nach Honolulu übertragen – das war doppelt so weit. In den 1920er Jahren kombinierten sie die Telekommunikation über große Entfernungen mit hochqualitativem Audio-Rundfunk und schufen die ersten Radiosender. So konnte bald die gesamte Nation über das Radio dieselbe Stimme hören, sei es Roosevelt oder Hitler.

Darüber hinaus ermöglichte die Fähigkeit, Sender auf eine genaue und stabile Frequenz einzustellen, den Telekommunikationsingenieuren, den lang gehegten Traum des Frequenz-Multiplexers zu verwirklichen, der Alexander Bell, Edison und anderen vor vierzig Jahren vorschwebte. Bis 1923 hatte AT&T eine zehnkanalige Sprachleitung von New York nach Pittsburgh. Die Möglichkeit, viele Stimmen über einen einzelnen Kupferdraht zu übertragen, senkte die Kosten für Ferngespräche radikal, die aufgrund der hohen Preise damals nur für die reichsten Menschen und Unternehmen erschwinglich waren. Als sie sahen, wozu Elektronenröhren fähig waren, schickte AT&T seine Anwälte, um zusätzliche Nutzungsrechte bei de Forest zu erwerben, um die Rechte zur Nutzung von Audion in allen verfügbaren Anwendungsbereichen zu sichern. Insgesamt zahlten sie ihm 390.000 $, was heute etwa 7,5 Millionen $ entspricht.

Warum haben elektronische Lampen bei dieser Vielseitigkeit nicht die Dominanz in der ersten Generation von Computern erlangt, wie sie in Radio- und anderen Telekommunikationsgeräten hatten? Offensichtlich konnte der Triode als digitaler Schalter fungieren, ebenso wie ein Relais. So offensichtlich, dass de Forest sogar glaubte, ein Relais geschaffen zu haben, bevor er es tatsächlich schuf. Und der Triode reagierte viel schneller als das traditionelle elektromechanische Relais, da es nicht notwendig war, den Anker physisch zu bewegen. Ein typisches Relais benötigte mehrere Millisekunden, während die Änderung des Stroms vom Kathoden- zum Anodenkontakt aufgrund der Änderung des elektrischen Potenzials im Gitter nahezu sofort war.

Aber Lampen hatten einen offensichtlichen Nachteil gegenüber Relais: ihre Tendenz, wie ihre Vorgänger, Glühbirnen, durchzubrennen. Die Lebensdauer des ursprünglichen Audions von de Forest war so kurz – etwa 100 Stunden – dass es in der Lampe einen Ersatzdraht gab, der nach dem Durchbrennen des ersten angeschlossen werden musste. Das war sehr schlecht, aber selbst von den besten Lampen konnte man keine Lebensdauer von mehr als ein paar tausend Stunden erwarten. Für Computer mit Tausenden von Lampen und stundenlangen Berechnungen war das ein ernstes Problem.

Relais hingegen waren, laut George Stibitz, „fantastisch zuverlässig“. So sehr, dass er behauptete,

Wenn ein Satz von U-förmigen Relais im Jahr 1 nach Christus seinen Betrieb aufgenommen hätte und den Kontakt einmal pro Sekunde geschaltet hätte, würde es bis heute noch funktionieren. Den ersten Kontaktfehler könnte man nicht vor tausend Jahren erwarten, irgendwo im Jahr 3000.

Darüber hinaus gab es keine Erfahrungen mit großen elektronischen Schaltungen, die mit den elektromechanischen Schaltungen der Telefoningenieure vergleichbar wären. Radioreceiver und andere Geräte konnten 5-10 Lampen enthalten, aber nicht Hunderte von Tausenden. Niemand wusste, ob es möglich sein würde, einen Computer mit 5000 Lampen zum Laufen zu bringen. Mit der Wahl von Relais anstelle von Lampen trafen die Entwickler von Computern eine sichere und konservative Entscheidung.

Im nächsten Teil werden wir sehen, wie und warum diese Zweifel überwunden werden konnten.

Quelle: habr.com