Die Zeit der Lichtbogensender

Die Nachteile der gedämpften Wellen, wie sie der Funkensender erzeugt, wurden schnell nach deren Entdeckung erkannt: 
1.) Wegen der langen Pausen zwischen den einzelnen Wellenzügen ergiebt sich eine schlechte Leistungsbilanz.
2.) Die verwendeten Funkensender sind „schmutzige“ Sender. Sie stellen ein breites  Frequenzspektrum her. 
     Das verhindert eine genaue Abstimmung der Sender und Empfänger und benachbarte Stationen stören sich gegenseitig.
3.) Es ist nicht möglich, gedämpfte Wellen mit Sprache oder Musik zu modulieren.
Nicola Tesla und auch der kanadische Ingenieur Reginald A. Fessenden versuchten daher als erste die Erzeugung ungedämpfter Wellen mit Kohle-Elektroden, die sie anstelle der Funkenstrecke in gleichstromerregten Funkensendern einsetzten. Allerdings waren weder die Frequenz der hiermit erzeugten Schwingungen hoch genug für drahtlose Telegrafie und Telefonie, noch war die mit diesem System erzeugte Energiemenge ausreichend. 
Auch der Engländer D. Duddell konnte im Jahr 1900 mit seinem nach der Lichtbogenmethode mit Kohle-Elektroden arbeitenden „singing arc“ die Voraussetzungen für die drahtlose Telegrafie nicht erfüllen. Er speiste den Lichtbogen über Drosselspulen mit Gleichstrom und schaltete einen Resonanzkreis aus Spule und Kondensator nach. Bei dieser Schaltweise nimmt der Widerstand des Lichtbogens bei Entladung des Kondensators im Resonanzkreis und damit sinkender Spannung am Lichtbogen ebenfalls ab. Der Kondensator wird so komplett entladen und dann entgegengesetzt wieder aufgeladen. Dabei nimmt der Widerstand des Lichtbogens wieder zu bis nach kompletter Aufladung des Kondensators der ganze Vorgang wieder neu beginnt. Es handelt sich also um einen selbststeuernden Vorgang.
Valdemar Poulsen
Erst dem Dänen Valdemar Poulsen gelang es 1902 nach der grundlegenden Schaltung von D. Duddell mit einem Lichtbogensender ungedämpfte HF-Schwingungen von ausreichender Frequenz und Energie zu erzeugen. Er  benutzte eine Anode aus Kupfer und eine Kathode aus Kohle. Dabei liess er die Kathode langsam rotieren und automatisch auf einen Abstand von 3 bis 5 mm nachführen, um so einen gleich- mässigen Abbrand zu erzielen. Als Voraussetzung für das einwandfreie Arbeiten des Senders erkannte Poulsen gute Kühlung und Entionisierung des Raums zwischen den Elektroden. Dazu wurden die Kupferanode und die „Flammenkammer“ mit Wasser gekühlt und ein quer zur Flamme verlaufendes sehr starkes Magnetfeld „blies“ die Ionen aus der Bogenstrecke. Zusätzlich liess er den Bogen in einer Wasserstoff- atmosphäre brennen. Mit diesem System wurden ungedämpfte Wellen mit Frequenzen bis zu 250 kHz (1200 m) erreicht. 1904 liess Poulsen sein System des Lichtbogen-Oszillators für ungedämpfte Wellen, die „Poulsen-Lampe“, in 15 Ländern patentieren.                  Prinzip-Schaltbild des neuen Senders
Und so sah sie aus: (Foto links) 
Der obere Teil mit den starken Kühlrippen enthält die Brennkammer mit den beiden horizontal angeordneten Elektroden. Diese werden durch einen rechts sichtbaren Hebel zum Zünden des Brennvorgangs kurz zusammengeführt. Die beiden grossen Spulen liefern das horizontal verlaufende Magnetfeld. Der unter dem Hebel sichtbare Motor dreht die Kathode aus Kohle. Die wasserstoffhaltige Atmosphäre wurde Anfangs dadurch erreicht, dass man Wasserstoff durch die Brennkammer leitete. Ab 1906 wurde über der Brennkammer eine Art Dochtöler angebracht, der bei einem 1 kW-Sender ein bis zwei Tropfen Alkohol pro Sekunde in die Kammer gab und dort verdampfen liess.
Der Lichtbogensender strahlt im Vergleich zu den gedämpften Funkensendern ein wesentlich schmaleres Frequenzband und nur wenig Neben- und Oberwellen ab. So erzielte man bei gleicher Sendeleistung erheblich grössere Reichweiten und konnte in einem Frequenzband bis zum Fünffachen an Sendern unterbringen. Ausserdem arbeitete der Sender – im Gegensatz zu den bis dahin benutzten „Knallfunken- sendern“, denen nachgesagt wird, dass die elektromagnetische Reichweite von der akustischen übertroffen werde – nahezu lautlos. Andererseits war die schmalbandige Aussendung auf der Empfängerseite nicht mehr so einfach zu finden und nur an einer ganz bestimmten Stelle hörbar. Für den Funkverkehr zwischen zwei Stationen bedurfte es jetzt genauer Frequenzabsprachen.
Um den neuen Sendertyp für die drahtlose Telegrafie zu nutzen, waren noch einige Schwierigkeiten zu bewältigen. In tonloser Telegrafie (A1) getastete ungedämpfte Sender waren mit den üblichen Detektorempfängern nicht hörbar, lediglich ein Knacken am Anfang der Morsezeichen liess auf einen Sender schliessen.
Poulsen und sein Mitarbeiter P.O. Pedersen entwickelten einen neuartigen Detektor: Ein batterie- oder federbetriebener Summer lieferte im Rhythmus der empfangenen Hochfrequenz einen hörbaren Ton!  Solche und ähnliche Schaltungen hiessen „Tikker“ oder „Schleifer“. 
Das hier beschriebene Problem - das natürlich auch bei den Maschinen- und später den Röhrensendern auftrat - führte zum Überlagerungs- empfang, der 1902 von R.A. Fessenden (Kanada) und 1905 R. von Goldschmidt (Belgien) bereits angedacht aber mit den zur Verfügung stehenden (oft mechanischen) Mitteln noch nicht verlässlich durchführbar war. Erst 1913 gelang Alexander Meißner (Telefunken) mit einer Schaltung mit Liebenröhre der erste einwandfreie Rückkopplungsempfang.
Ein weiteres Problem stellte die Tastung des Poulsen-Senders dar. Da er nach jedem Start einige Sekunden braucht, bis er stabil schwingt, kann er nicht in seinem Primärkreis getastet werden. Als Lösung kam man darauf, durch die Morsetastung die Schwingkreisspule und damit die Sendefrequenz um 1 bis 5 % zu verändern (FSK-Betrieb). Im Empfangsapparat hörte man die zweite (getastete) Frequenz mit der Meldung, die erste Frequenz mit den „negativen“ Morsezeichen wurde damals nicht zur Nachrichtenübermittlung benutzt.
Auch die Modulation des Poulsen-Senders mit Sprache oder Musik bereitete Schwierigkeiten. Das Mikrofon musste in Serie zur Antenne geschaltet werden, bei hohen Sendeleistungen wurden zur Vermeidung von Überlastungen wassergekühlte Mehrfachmikrofone benutzt. Dadurch war aber ein Fernbesprechen des Senders durch ein abgesetztes Mikrofon nicht möglich. 
Erst ab 1913 konnte dieses Problem durch den Einsatz einer Telefonie-Drossel (Nach ihrem Erfinder L. Pungs - Fa. Lorenz - auch „Pungs-Drossel“ genannt) zwischen Sender und Erde zufriedenstellend gelöst werden. Dieses neue Bauteil steuerte mit Hilfe von drei Wicklungen auf einem dreischenkligen Eisenkern mit nur 1 % der Antennenleistung die Modulation und Tastung des Hochfrequenzstromes.
"Pungs-Drossel"
1904 stellte Poulsen eine Verbindung zwischen Lyngby und Kopenhagen (15 Kilometer) und zwei Jahre später über 270 Kilometer zwischen Lyngby und Esbjerg her. Technisch war die Lichtbogenmethode jetzt ausgereift. Um alle Möglichkeiten zu testen, waren internationale Verbindungen notwendig. Verhandlungen u.a. mit Telefunken scheiterten. Poulsen gründete daher mit englischen Kapitalgebern die „Amalgamated Radio Telegraph Company Ltd.“ mit Sitz in London. Noch 1906 gab es Funkverbindungen über 900 km zwischen Dänemark und Cullercoats und über 1500 km zwischen Dänemark und Knockroe in Irland. Die Station Knockroe war für weitere Versuche im gewinnversprechenden Funkbetrieb mit Lichtbogensendern über den Atlantik vorgesehen. Doch daraus wurde Nichts: 
1907 gingen die englischen Geldgeber bankrott. Die „Amalgamated“ wurde aufgelöst ohne ein einziges Geschäft abgeschlossen zu haben.
Darauhin verkaufte Poulsen 1908 die Rechte an seiner Erfindung. In Deutschland erwarb die Firma Lorenz die Patente und konnte in den nächsten Jahren beim Heer Telegrafie-Stationen mit Leistungen zwischen 1,5 und 4 kW für feste Sendeanlagen verkaufen. Auch die Marine zeigte Interesse und erwarb von Lorenz Poulsen-Sender mit Leistungen bis zu 6 kW für den Einsatz auf grossen Schiffen. Diese Anlagen wurden ab 1910 nach und nach mit Telefoniezusätzen ausgerüstet. Bei deutschen Küstenfunkstellen wurde nur in Norddeich 1911 ein 4 kW-Lichtbogensender für Telegrafie aufgebaut, ab 1912 gab es auch Telefonieversuche. Auf deutschen Handels- oder Passagier- schiffen sind Lichtbogensender nicht eingesetzt worden, zumindest gibt es keine zuverlässigen Berichte darüber. 1914 errichtete Lorenz in Königsberg und Posen Großstationen mit Poulsen-Sendern.
links: Poulsen-Sender in Lyngby (1921)
Grossen Anklang fand der Lichtbogensender in den USA. Schon während der Weltausstellung 1904 in St. Louis hatte Poulsen für seine Erfindung geworben und Kapitalgeber gesucht. 1909 erwarb Cyril F. Elwell in Kopenhagen die Poulsen-Rechte für die Vereinigten Staaten und kaufte auch gleich einen Sender (100 Watt) von Poulsen. Bis 1912 errichtete Elwell 14 Sendeanlagen mit denen die grossen Städte an der Westküste der USA und weiter östlich ins Land hinein verbunden wurden (U.a.: San Francisco, Portland, Seattle, Salt Lake City). Zu Dumpingpreisen konkurrierte er erfolgreich mit den traditionellen kabelgebundenen Nachrichtendiensten. 
Auch die US-Navy zeigte Interesse und bestellte zunächst einen 100 kW Sender. Für die Verwirklichung dieses Projektes holte sich Elwell den Ingenieur Leonard Fuller ins Boot. Mit dessen Können gelang die Konstruktion von Sendern mit mehreren Hundert kW primärer Leistungsaufnahme. Die Navy baute im 1. Weltkrieg ein weltweites Funknetz mit Poulsen-Sendern auf: Grössere Marine-Basen wie z.B.San Francisco und Hawaii erhielten die inzwischen bewährte Technik mit Leistungen von einigen hundert Kilowatt. Alle grösseren Schiffe der Navy wurden mit Poulsen-Sendern kleiner bis mittlerer Leistung ausgrüstet. 
Weltweit wurden Lichtbogensender mit Primärleistungen von 100 kW und deutlich darüber errichtet: z.B. in England (Portsmouth), Griechenland (Saloniki) und  Ägypten (Kairo). In Frankreich baute Elwell 1915/16 grosse Stationen auf dem Eiffelturm, in Nantes und Lyon. Die französische Marine arbeitete bereits seit 1908 mit Lichtbogensendern (Reichweite 120 bis 160 km). Eine mit  Poulsenlampe betriebene Sendeanlage entstand in der Nähe von Bordeaux, die HF-Leistung betrug 1000 kW. Eine von sieben Sendefrequenzen zwischen 12,8 und 21,7 kHz konnte wahlweise geschaltet werden. Der Sender wog 80 to, das meiste davon steckte sicher im Elektromagneten. Die Antenne deckte - an 8 Masten in 250 Metern Höhe hängend - ein gut geerdetes Areal von 1200 x 400 Metern ab.
Den wohl stärksten Lichtbogensender nach dem System Waldemar Poulsens errichtete der Niederländer Dr. de Groot 1922/23 in Malabar (Java / heutiges Indonesien). Mit einer primären Leistungsaufnahme von 2400 KW stand der Sender über eine Entfernung von 11 500 km in Verbindung mit der niederländischen Groß- station in Kootwijk (Punkt-zu-Punkt-Verkehr). Die Entscheidung für den Lichtbogensender war gefallen, weil man alle dafür benötigten Bauteile im Lande selbst herstellen konnte. Die Station mit dem Rufzeichen PKX nahm im Juli 1923 - nur wenige Monate nachdem Telefunken dort einen 400 kW-Maschinensender in Betrieb genommen hatte - den Dienst auf. Sie wurde mit 25 kV gespeist und sendete auf 49,2 kHz (6100 m). Mindestens ein weiterer Poulsen-Sender (andere Quelle:drei) stand in Malabar 
links: Die 2400 kW-Anlage in Malabar steht auf dem Foto im Vordergrund, links dahinter ein zweiter Sender
Interessant an der Sendeanlage in Malabar ist auch die Konstruktion einer Hang-Antenne die über dem Tal hinter den Stationsgebäuden errichtet wurde. Die Antenne wird durch Querverspannungen, die von Gipfel zu Gipfel über das Tal geführt sind, auf Höhe gehalten. Der höchste Teil der Antenne liegt ca. 480 Meter über der Talsohle und etwa 800 Meter höher als die Antenneneinführung. Die eigentliche  Antenne besteht aus sieben Kupferlitzen von je 35 mm² Querschnitt. Sie ist 2000 Meter lang, 240 Meter breit und mit 324° genau auf Kootwijk in den NIederlanden ausgerichtet. 
rechts: Schematische Darstellung der Hang-Antenne in Malabar
Telefunken entwickelte 1906 eigene Lichtbogensender, bei deren Konstruktion versucht wurde, die Poulsen-Patente zu umgehen. Dabei kam man zu folgender Lösung:
1.) Wie beim Poulsengenerator ist die negative Elektrode am Lichtbogen aus Kohle, die positive aus wassergekühltem Kupfer. 
2.) Der Bogen brennt in einer Aushöhlung der Kupferelektrode, also in den Gasen, die beim Lichtbogen entstehen.
3.) Es werden mehrere Lichtbögen hintereinander geschaltet.
Die Abbildungen unten zeigen den von Telefunken entwickelten Lichtbogengenerator. Im Dezember 1906 wurden erfolgreiche Sprachübertragungen zwischen Berlin und Nauen (40 km) durchgeführt. Dazu verwendete Telefunken 24 in Reihe geschaltete wassergekühlte Kupfer-Kohle-Lichtbögen.
Die Telefunken-Lichtbogenlampe (1906)
Ein Lichtbogensender des Systems Telefunken (1906)
(Über diesem Aufbau war ein grosses Trichter-Mikrofon angebracht)
Wegen angeblich mangelnder Nachfrage stellte Telefunken die Forschung am Lichtbogensender 1907 wieder ein. Zitat Graf Arco: 
„Wir haben Wichtigeres zu tun, als derartige Telefonspielereien !“ Nach anderen Quellen gab es Vereinbarungen zwischen Telefunken und der C. Lorenz A.G. über gegenseitige Abgrenzungen in der technischen Forschung. 
Telefunken widmete sich jedenfalls ab sofort ganz der technischen Durchführung des von Prof. Max Wien vorgestellten Löschfunken- verfahrens und machte daraus den ersten wirtschaftlichen Erfolg für Telefunken und Telefunken selbst endgültig zu einer bedeutenden Weltmarke im noch jungen Funkwesen. 

Die von Valdemar Poulsen entwickelte Lichtbogentechnik prägte – zusammen mit den Maschinensendern – knapp 10 Jahre lang den interkontinentalen Funkverkehr im Punkt-zu-Punkt-Betrieb mit grossen Sendeleistungen auf der Langwelle. Was den Lichtbogensender vom Maschinensender unterschied, war die Möglichkeit auch mobile Anlagen mit kleinen Leistung wirtschaftlich zu betreiben. Einsatzmöglich- keiten fanden sich in vielen Flotten der Welt. 
Die Arbeitsweise der Lichtbogensender führte auch nicht immer zu Zufriedenheit: Bei http://earlyradiohistory.us findet man mehrere Berichte über mangelhafte Funktion der in den USA und auf deren Schiffen benutzen Poulsen-Sender. Im deutschen "Nauticus" (1938) steht auf Seite 161: "Es waren dies die Lichtbogensender, die allerdings recht unzuverlässig arbeiteten !" Von der oben beschriebenen Großstation in Malabar wird berichtet, dass sie nach der ersten Inbetriebnahme zunächst nicht mehr funktionierte. Dr.de Groot konnte sein "Staatsfunktelegramm" via Kootwijk Radio an die Königin über die Eröffnung des Funkdienstes mit dem neuen Sender erst mit einigen Tagen Verspätung schicken. Allerdings auch deshalb, weil er sich weigerte, dafür den bereits seit einem knappen Jahr an gleicher Stelle arbeitenden Maschinensender von Telefunken zu benutzen.

Ab Mitte der 20er Jahre entstanden durch die Röhrentechnik und das neue Medium Kurzwelle zuverlässigere und handlichere Möglichkeiten für den Funk-Weitverkehr: Sie  bereiteten den Langwellen-Kolossen ein Ende. 

Valdemar Poulsen, der Mann der als erster technisch nutzbare ungedämpfte Wellen erzeugte, starb am 23. Juli 1942 im Alter von nicht ganz 73 Jahren.


Benutzte Quellen: / Sources used:
Jonathan Zenneck: "Lehrbuch der drahtlosen Telegrafie" (Ausg. 1913)
Fritz Trenkle: "Die deutschen Funknachrichtenanlagen bis 1945" (Band I: Die ersten 40 Jahre)
"Telefunken-Zeitung" Nr. 40/41 (Oktober 1925)
Dr. Dieter Vierus: "CQD - SOS - MAYDAY" (2000)
"Nauticus" Jahrgang 1938
http://home.luna.nl/~arjan-muil/radio/museum.html
http://earlyradiohistory.us/sec009.htm
http://www.stenomuseet.dk/person/hb.ukref.htm
http://www.oldradio.com/archives/jurassic/dk-poulsen2.htm
Zur Seefunk-Homepage
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