Radiowelle

Definition und Bedeutung

Radiowellen, auch Funkwellen oder Hertzsche Wellen genannt, sind nach Artikel 1.15 der Vollzugsordnung für den Funkdienst (VO Funk) der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) „elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen vereinbarungsgemäß unterhalb 3000 GHz liegen, und die sich ohne künstliche Führung im freien Raum ausbreiten.“

Die Definition umfasst die für den Rundfunk genutzten Bereiche Langwelle ab 30 kHz, Mittelwelle, Kurzwelle und Ultrakurzwelle bis 300 MHz. Außerdem gehören nach dieser weit gefassten Definition auch Radar- und Mikrowellenbereiche mit kürzeren Wellenlängen dazu. Radiowellen können technischen oder natürlichen Ursprungs sein. Da ihre Frequenzen außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des menschlichen Auges liegen, sind sie unsichtbar.

Entdeckung und technische Entwicklung

James Clerk Maxwell sagte die Existenz von Radiowellen 1867 aufgrund theoretischer Überlegungen voraus. Heinrich Hertz wies sie 1886 experimentell nach. Mit Funkenstrecken und Dipolantennen erzeugte er Funkwellen mit Wellenlängen im Meter- und Zentimeterbereich. Dabei zeigte er grundlegende Eigenschaften wie die Reflexion und eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Die Bezeichnungen „Funkwellen“ und „Rundfunk“ gehen auf die ersten Funkübertragungen mit Funkenentladungen aus Hochspannungserzeugern zurück. Später wurden Maschinensender entwickelt, die nur für Langwellen geeignet waren und vielpolige Generatoren zur Erzeugung der Schwingungen verwendeten. Valdemar Poulsen entwickelte 1903 den Lichtbogensender. Mit ihm konnten kontinuierliche Schwingungen und Funkwellen hoher Leistung erzeugt werden.

Zur Demodulation, also zur Rückgewinnung der übertragenen Information aus den empfangenen Wellen, nutzte man bereits vor der Entwicklung der Elektronenröhren Fritter und Kristalldetektoren. Die Elektronenröhre ermöglichte anschließend als Verstärkerbauteil den Durchbruch der Sende- und Empfangstechnik. Schon frühe Elektronenröhren konnten Frequenzen im Megahertzbereich verarbeiten; spätere Entwicklungen erschlossen höhere Funkfrequenzen und damit kürzere Wellenlängen.

1932 entdeckte Karl Guthe Jansky mit einer drehbaren Antenne bei einer Wellenlänge von 14,6 Metern die erste außerirdische Radioquelle: das Zentrum der Milchstraße. Zuvor hatte er Radiowellen von Gewitterblitzen zur Ortung genutzt.

Übertragung und technische Anwendungen

Die technisch genutzten Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums reichen von Längstwellen bis zur Terahertzstrahlung. Ihre Verwendung wird in international vereinbarten Frequenzbändern geregelt.

Radiowellen ermöglichen die leitungslose Übertragung von Sprache, Bildern, Zeitzeichen und anderen Daten. Sie werden außerdem für Rundfunk, Radar, Navigation mit GPS und Funkpeilung eingesetzt. Das Grundprinzip der Nachrichtenübertragung besteht aus mehreren Schritten:

• Die Information wird durch Modulation auf eine Trägerfrequenz aufgeprägt. Bei der Modulation verändert man die Trägerwelle entsprechend dem zu übertragenden Signal, zum Beispiel in ihrer Amplitude oder Frequenz.
• Die Sendeantenne strahlt die modulierte Welle ab.
• In einer Empfangsantenne werden durch die Radiowelle gleichartige Hochfrequenzsignale induziert.
• Nach einer Verstärkung wird die Information durch Demodulation wieder aus dem Signal gewonnen.

Unterschiedliche Sender können verschiedene Trägerfrequenzen verwenden. Dadurch lassen sich viele unabhängig voneinander ausgestrahlte analoge Rundfunk- und Fernsehprogramme gleichzeitig übertragen und anschließend auswählen. Die gewünschte Frequenz wird durch Schwingkreise oder digitale Filterung, etwa mit einem digitalen Signalprozessor (DSP), selektiert. Nach demselben Grundprinzip können über einen Draht einige hundert Telefonate oder beim Kabelfernsehen mehrere Programme gleichzeitig und ohne gegenseitige Störung übertragen werden.

Radiowellen dienen auch zur Erwärmung. Die bei ihrer Absorption entstehende Wärme wird beispielsweise zum Trocknen, Aushärten, für therapeutische Zwecke wie Diathermie oder in Mikrowellenherden genutzt. Terahertzstrahlung kann ähnlich wie Röntgenstrahlung zur „Durchleuchtung“ eingesetzt werden, um sonst unsichtbare Strukturen im Inneren von Körpern zu erkennen. Diese Anwendung ist jedoch auf nichtmetallische Körper beschränkt.

Natürliche Quellen und Radioastronomie

Die Erdatmosphäre selbst ist eine natürliche Quelle von Radiowellen. Ihre Temperatur erzeugt Radiowellen mit einem thermischen Spektrum. Außerdem können Moleküle der Luft durch thermische oder optische Anregung in Schwingungszustände gelangen und beim Übergang in den Grundzustand Radiowellen aussenden. Diese Strahlung liegt meistens im Mikrowellenband. Mit ihr lassen sich unter anderem vertikale Profile des Wasserdampfgehaltes und der Temperatur in der Erdatmosphäre bestimmen.

Blitze erzeugen starke, kurzzeitig auftretende Radiowellen. Sie können zur Ortung von Gewittern verwendet werden und sind eine Ursache von Sferics. Die natürlichen Radiowellen der Atmosphäre werden als atmosphärische Störungen zusammengefasst und tragen zum elektromagnetischen Rauschen von Empfängern bei.

Viele Himmelskörper sind Radioquellen. Ihre Radiowellen werden in der Radioastronomie untersucht. Die Sonne ist von der Erde aus die stärkste extraterrestrische Radioquelle. Auch thermische und nichtthermische Radioemissionen der Planeten werden erforscht, beispielsweise die elektromagnetischen Stürme des Jupiters.

Besonders wichtig ist die Strahlung des freien Wasserstoffs in der Milchstraße bei einer Wellenlänge von 21 cm. Sie liefert unter anderem Informationen über die Struktur der galaktischen Spiralarme. Weitere bedeutende außerirdische Radioquellen sind die kosmische Hintergrundstrahlung, Supernovaüberreste, Pulsare, Quasare, Radiogalaxien und aktive Galaxienkerne.