Sumardag einn árið 1945 var verkfræðingurinn Percy Spencer að vinna við ratsjárbúnað á vinnustað sínum, í rafeindafyrirtækinu Raytheon í Massachusetts í austurhluta Bandaríkjanna.
Þennan dag hafði hann haft með sér í vinnuna súkkulaðistykki með jarðhnetum, af tegundinni PayDay og þegar hann þreifaði í vasa sínum til að næla sér í súkkulaðistykkið í hádegishléinu rak hann í rogastans því súkkulaðið hafði bráðnað.
Spencer varð ekki hvað síst hissa fyrir þær sakir að hitastig herbergisins var engan veginn nógu hátt til að geta valdið bráðnun súkkulaðis.
Þegar hann síðan áttaði sig á skýringunni tókst honum, fyrir einskæra tilviljun, að finna upp eitt vinsælasta heimilistæki allra tíma.
Uppfinningamaður lauk ekki námi
Fyrirtækið Raytheon var stofnað árið 1922 af nokkrum eðlisfræðingum og verkfræðingum sem höfðu útskrifast frá hinum virta tækniháskóla MIT í fylkinu Massachusetts.
Fyrirtækið óx hægt en stöðugt og þegar Spencer var ráðinn til starfa árið 1925 var hann fimmti starfsmaður fyrirtækisins.
Percy Spencer hafði ekki lokið neinni formlegri menntun – í raun hafði hann ekki einu sinni útskrifast úr grunnskóla. Þegar hann gegndi herþjónustu í sjóhernum fékk hann hins vegar mikinn áhuga á nýjustu fjarskiptatækni.
Hann nýtti hverja stund sem hann hafði aflögu í að lesa sér til um fjarskiptabúnað, loftnet og rafeindabúnað almennt og þegar þessi sjálfmenntaði rafeindavirki hafði lokið herþjónustu var hann ráðinn til starfa hjá fyrirtækinu Raytheon.
Fyrirtækið framleiddi rafeindaíhluti í líkingu við rofa og útvarpslampa en árið 1940 gerðu tveir verkfræðingar við Birmingham-háskóla í Englandi hins vegar uppgötvun sem gagnaðist Raytheon og ekki hvað síst Spencer.
Allar götur frá því fljótlega upp úr 1920 höfðu rafeindavirkjar þekkt til þess sem kallaðist magnetróna en um er að ræða búnað sem umbreytir raforku í rafsegulgeislun.
Sýnilegt ljós, útvarpsbylgjur og geislavirkir gammageislar flokkast einnig sem rafsegulgeislun en magnetróna sendir einvörðungu frá sér rafsegulgeislun á því tíðnisviði sem kallast örbylgjur.
Tíðni örbylgja er á bilinu 300 MHz upp í 300 GHz og því má segja að tíðnin sé á milli þess sem við köllum útvarpsbylgjur annars vegar og sýnilegs ljóss hins vegar.
Rafsegulgeislun orsakar sveiflur í vatnsgufu
Örbylgjur eru hluti af rafsegulrófinu en þær bylgjur sem lægstu tíðnina hafa (fæstar sveiflur á sekúndu) eru útvarpsbylgjur. Á hinum enda rófsins eru geislavirkir gammageislar og í miðjunni er svo að finna lítinn bút af sýnilegu ljósi. Örbylgjur er að finna á milli innrauðs ljóss og útvarpsbylgna.
Fyrstu magnetrónurnar bjuggu yfir takmörkuðum afköstum en verkfræðingarnir frá Birmingham komust að raun um að með því að hanna magnetrónuna utan um nokkur holrými mátti auka afköstin svo um munaði.
Háafkasta magnetrónan var nákvæmlega það sem hernaðariðnaðurinn sóttist eftir því með henni mátti betrumbæta ratsjár verulega.
Ratsjá sendir frá sér rafsegulgeislun og hún nemur endurkast frá þeim hlutum sem geislarnir lenda á.
Fyrstu ratsjárnar sendu frá sér útvarpsbylgjur á árunum upp úr 1930 en örbylgjur sem höfðu yfir að ráða styttri bylgjulengd gátu séð fyrir betri upplausn (betri möguleikum á að greina litla hluti á skjánum), auk þess sem háafkasta holrúmsmagnetrónan leiddi til frekari endurbóta á tækninni á árunum eftir 1940.
Grunlausar húsmæður og heimilisfeður lenda í höndum CIA-geðlækna sem beita eiturlyfjum og raflosti í tilraunum til að endurforrita heilann og kalla fram blinda hlýðni. Margir enduðu sem „grænmeti“:
Á barmi síðari heimsstyrjaldar var ratsjártækni einkar mikið í umræðunni.
Vísindamenn fyrirtækisins Raytheon eygðu möguleikann á að breyta framleiðslu sinni á þann veg að notaðar væru magnetrónur og með því móti tókst þeim að öðlast hlutdeild í síaukinni vopnaframleiðslu Bandaríkjahers.
Árið 1940 var Spencer orðinn sá starfsmaður fyrirtækisins sem hafði hvað mesta þekkingu á þessari tækni.
Eggið hans Spencers sprakk
Magnetrónuframleiðslan varð til þess að auka verulega gróðann hjá Raytheon og bæði Spencer og vinnuveitandi hans sóttu um einkaleyfi fyrir ýmsum umbótum á sviði tækninnar.
Það voru einmitt slíkar umbætur sem Spencer var að vinna að árið 1945 þegar hann þreifaði eftir PayDay-súkkulaðistykkinu sínu í vasanum.
Örbylgjur virtust geta hitað upp matvæli og fyrir vikið fór Spencer að beina magnetrónunni að öðrum hlutum, svo sem eins og poppkorni og eggjum.
Maísbaunirnar breyttust í poppkorn en þegar geislunum var beint að eggjum varð útkoman önnur en gert hafði verið ráð fyrir, því nokkrum sekúndur seinna sprungu eggin.
Bylgjur koma hreyfingu á matinn
Hefðbundnir ofnar hita loftið inni í ofnrýminu en í örbylgjuofnum er orkuríkum geislum hins vegar beint inn í fæðuna. Þetta gerir það að verkum að vatnssameindir í fæðunni byrja að sveiflast og núningurinn á milli sameindanna orsakar hita.
Spennubreytir leiðir af sér háspennu
Spenna sem nemur 230 voltum í hefðbundnum tengli nægir ekki til að knýja magnetrónuna í örbylgjuofni. Fyrir bragðið er rafstraumurinn fyrst leiddur gegnum spennubreyti og afriðil sem breytir 230 volta riðstraumi í jafnstraum með 4.000 volta spennu.
Magnetróna kemur rafeindum á hreyfingu
Í magnetrónu gerir öflugur straumurinn það að verkum að málmþráður byrjar að glóa, þ.e. senda frá sér rafeindir. Segulsvið þvingar rafeindirnar inn á vafningsbraut og þetta orsakar meðsveiflun í holrými magnetrónunnar. Lögun holrýmanna gerir það að verkum að tíðni rafeindanna verður 2,45 GHz, þ.e. þær verða örbylgjur.
Málmkassi lokar geislunina inni
Örbylgjurnar eru sendar með loftneti inn í ofnrýmið. Þegar þær lenda á vatnssameindum í fæðunni á snúningsdiskinum hrindir orkan vatnssameindunum á hreyfingu og maturinn hitnar. Ofnrýmið er umgirt málmgrind til þess að örbylgjurnar sleppi ekki út úr ofnrýminu.
Skýringuna á sprengingunni er að finna í því með hvaða hætti örbylgjuupphitun virkar.
Þegar örbylgjur lenda á vatnssameindunum í súkkulaði, maískorni eða eggi byrja þær að sveiflast. Þetta orsakar núning sem hitar upp innra byrði eggsins.
Þegar hvítan og rauðan hitna myndast vatnsgufa en eggjaskurnin kemur hins vegar í veg fyrir að gufan komist leiðar sinnar út úr egginu. Að lokum myndast svo mikill þrýstingur inni í egginu að það springur með lágværum hvelli.
Hvorki er hægt að sjá né snerta á geislavirkni. Engu að síður er hún hvarvetna í kringum okkur í náttúrunni og háir skammtar af geislavirkni geta drepið okkur. En hvernig myndast geislavirkni og af hverju er hún svona hættuleg?
Spencer hélt áfram að stunda tilraunir með örbylgjuhitun og komst að raun um að tíðni sem næst 2,45 GHz leiðir af sér ákjósanlegustu upphitunina.
Lægri tíðni nær lengra inn í matvælin en hitar þau miklu hægar. Hærri tíðni leiðir af sér hraðari upphitun en örbylgjuorkan fer svo hratt inn í matvælin að þau hitna ekki í miðjunni.
Ef tíðnin er 2,45 GHz kemst orkan 2-4 cm inn í matvælin og ef maturinn er látinn standa og bíða í smástund að upphitun lokinni verður hitadreifingin hvað ákjósanlegust.
Örbylgjur utan úr geimnum
Framleiðandinn Raytheon setti fyrsta örbylgjuofninn á markað árið 1947. Ofn þennan kölluðu þeir RadaRange 1161 en hann var alls 180 cm á hæð, vó 340 kg og kostaði eina 5.000 Bandaríkjadali sem var hærri upphæð en fékkst fyrir fínustu og dýrustu bifreiðina frá Cadillac, með öllum aukabúnaði.
Fyrstu ofnarnir voru ætlaðir iðnaðareldhúsum og var magnetrónan vatnskæld, líkt og við átti um vélar í bensínknúnum bifreiðum.
Næstu áratugi komu á markað ódýrari gerðir með loftkældri magnetrónu og á árunum upp úr 1970 fóru ofnarnir síðan að sjást á einkaheimilum fólks, framan af aðallega í Bandaríkjunum og áratug síðar einnig í Evrópu.
1.100 milljón örbylgjuofnar er áætlað að fyrirfinnist um gjörvallan heim í dag. Og fjöldinn eykst stöðugt.
Nútímalegir örbylgjuofnar byggja á nákvæmlega sömu tækni og við átti um uppfinningu Spencers, RadarRange en nú á dögum eru örbylgjuofnar notaðir í allt mögulegt annað en bara ratsjár og til að hita upp tilbúna rétti.
Hernaðariðnaðurinn hefur m.a. hannað öflug örbylgjuvopn (High-Power Microwave eða HPM) á borð við hið bandaríska THOR-kerfi. Kerfi þetta getur sent frá sér öflugan geisla sem gert getur dróna óskaðlega.
Áþekka tækni er unnt að nota til að flytja rafstraum þráðlaust. Stuðst er við sendimastur til að skjóta örbylgjum til viðtakanda þar sem bylgjunum er umbreytt aftur í rafstraum.
Með því móti er hægt að senda rafmagn í dróna á lofti ellegar jafnvel, þegar fram í sækir, að senda raforku frá sólarrafhlöðum úti í geimnum til viðtakenda á jörðu niðri.
Percy Spencer átti þó ekki eftir að verða vitni að þessu, því hann lést árið 1970, eftir að hafa starfað á vegum Raytheons alla sína starfsævi.
Fyrirtækið selur ekki lengur örbylgjuofna heldur er það einn helsti framleiðandi hernaðartækni í dag.
