Die drahtlosen Frequenzen, die wir zum Senden und Empfangen von Daten verwenden, werden zunehmend überlastet. Mit einer ständig wachsenden Anzahl von IoT-Geräten (Internet of Things) in unserem Zuhause – von intelligenten Lautsprechern und Kameras bis hin zu Türklingeln und Lichtern – geht uns allmählich die nutzbare Bandbreite aus.
Doch das könnte sich bald ändern, denn jetzt haben Wissenschaftler gezeigt, dass ein ganz anderer Frequenzbereich – Terahertz – bald eine bedeutende Rolle in der Zukunft der drahtlosen Technologie spielen könnte.
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Terahertz hat eine etwa 100-mal höhere Frequenz als die von Bluetooth- und Wi-Fi-Geräten verwendeten Mikrowellen. Als solche haben sie kürzere Wellenlängen und eine höhere Bandbreitenkapazität für die Datenübertragung. Ihre kürzere Wellenlänge bedeutet jedoch auch, dass sie Objekte nicht wie typische drahtlose Trägerwellen durchdringen können. Aus diesem Grund wurde immer angenommen, dass sie in Haushaltsanwendungen überflüssig wären, wo selten eine klare Sichtverbindung zwischen einem Router und seinen verbundenen drahtlosen Geräten besteht.
Forscher der Brown University, deren Arbeit in APL Photonics veröffentlicht wurde , von AIP Publishing, haben die Machbarkeit der Verwendung von Terahertz-Trägerwellen für die Datenübertragung in einer Vielzahl von Umgebungen demonstriert, einschließlich „Non-Line-of-Sicht“-Anwendungen.
Daniel Mittleman, der die Studie leitete, und seine Forschergruppe platzierten einen Empfänger um verschiedene Objekte im Innen- und Außenbereich, und wenn ein Terahertz-Signal direkt auf den Empfänger gerichtet wurde, wurde es leicht erkannt. Wo keine Sichtlinie möglich war, konnte das Signal auch von Objekten reflektiert werden, um eine Erkennung zu erreichen. Tatsächlich wurde das Signal in einem bestimmten Experiment von zwei unterschiedlichen Abschnitten einer Wand reflektiert (siehe Diagramm), bevor es schließlich von einem Empfänger erfasst wurde.
Links:Ein Diagramm der drahtlosen Terahertz-Verbindung, die zwei Reflexionen von Wänden beinhaltet, sodass es keine Sichtlinie vom Sender zum Empfänger gibt. Rechts:Eine Nahaufnahme des Senders, der in den Experimenten verwendet wurde. Bildnachweis:Dan Mittelman
„Wir sind nicht die erste Gruppe, die die Machbarkeit von drahtlosen THz-Verbindungen im Innen- oder Außenbereich untersucht, aber es gab nur wenige umfassende Studien“, erklärte Mittleman. Viele Forscher auf diesem Gebiet haben geglaubt, dass Verbindungen, die auf indirekten oder nicht sichtbaren Wegen beruhen, unmöglich sind. „Unsere Arbeit zeigt, dass dies nicht unbedingt der Fall ist“, sagte er
Trotz Mittelmans Entdeckung habe ich mich gefragt, wie diese Art von Trägerwellen jemals praktisch in einer häuslichen Umgebung implementiert werden könnte, wenn man bedenkt, dass sie so leicht durch physische Objekte wie Wände, Türen, Menschen und sogar Haustiere blockiert werden.
„Ich glaube nicht, dass sich irgendjemand vorstellt, dass es so verwendet werden würde, wie wir jetzt 4G-Netze verwenden, die mit viel niedrigeren Frequenzen arbeiten (wo das Eindringen durch Wände möglich ist), sagte Mittelman zu Alphr. „Bei diesen hohen Frequenzen über 100 GHz sind Wände undurchsichtig, sodass Sie niemals vorhaben würden, Signale durch Wände zu verteilen.
„Stellen Sie sich vor, ein hochauflösendes TV-Sendesignal könnte per Glasfaser zu Ihnen nach Hause geliefert und dann vom Glasfaserterminal über ein drahtloses Terahertz-Signal mit einem nahe gelegenen Fernseher verbunden werden.“ Daniel Mittelmann
„Stattdessen sollte man sich vorstellen, dass Terahertz-Signale in einem Raum in einem lokalen Netzwerk verteilt würden, wo es keine Wände gibt, die Signale blockieren. Sie könnten dieses LAN über Glasfaser oder über drahtlose 4G- oder 5G-Signale mit der Außenwelt verbinden. Natürlich scheitert diese ganze Idee, wenn die LAN-Verbindungen so anfällig sind, dass sie jedes Mal blockiert werden können, wenn jemand vorbeigeht. Daher ist die Möglichkeit, Verbindungen ohne Sichtverbindung in einem Raum zu verwenden, sehr wichtig.“
Die Entdeckung, dass Terahertz reflektiert werden kann, könnte dann den Unterschied zwischen der funktionierenden und nicht funktionierenden Technologie in einer häuslichen Umgebung ausmachen, da Sie Wände und sogar die Decke verwenden könnten, um Signale abzuprallen und das Risiko zu minimieren, dass sie unterbrochen werden .
„Als anschauliches Beispiel könnten Sie sich vorstellen, dass ein hochauflösendes TV-Rundfunksignal über Glasfaser zu Ihnen nach Hause geliefert und dann vom Glasfaserterminal über ein drahtloses Terahertz-Signal mit einem nahe gelegenen Fernseher verbunden werden könnte“, fuhr Mittelman fort. P>
Sind Terahertzwellen sicher?
Aufgrund ihrer höheren Frequenz tragen Terahertzwellen mehr Photonenenergie als Mikrowellen, was zu Fragen hinsichtlich ihrer Sicherheit geführt hat. Mittelman glaubt jedoch, dass die in drahtlosen Geräten verwendete Leistung absolut sicher ist.
„Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass es bei der Terahertz-Strahlung Sicherheitsbedenken gibt, wie bei der Mikrowellenstrahlung Ihres Mobiltelefons“, sagt er mir. „Tatsächlich kann man argumentieren, dass Terahertz bei vergleichbaren Expositionsniveaus sicherer als Mikrowellen sein sollte, da die Eindringtiefe in lebendes Gewebe bei höheren Frequenzen geringer ist.“
„Soweit irgendjemand weiß, unterscheidet sich die Wechselwirkung von Terahertz-Signalen mit wässrigen Medien (d. h. lebendem Gewebe) nicht von der Wechselwirkung von Mikrowellen mit denselben Medien – genug Leistung verursacht Erwärmung, und ausreichende Erwärmung kann schlecht sein. Wenn Sie Ihre Schlussfolgerungen derzeit auf die besten verfügbaren Daten stützen, brauchen Sie sich keine Sorgen zu machen.“
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Wann könnten wir die Einführung dieser neuen Technologie sehen?
Um ehrlich zu sein, bin ich immer noch etwas skeptisch, was die Aussicht betrifft, diese neue drahtlose Technologie bald in unseren eigenen vier Wänden zu sehen, aber Mittelman ist optimistischer.
„Wir stehen kurz davor, eine neue Generation drahtloser Technologie in der westlichen Hemisphäre einzuführen (5G wird in den nächsten ein oder zwei Jahren auf den Markt kommen)“, sagt er mir. Die Geschichte der drahtlosen Technologien hat uns gelehrt, dass die Kapazität einer neuen drahtlosen Generation etwa acht Jahre hält, bevor sie gesättigt ist und ersetzt oder ergänzt werden muss. Das war der Zeitrahmen für 3G und 4G, und das wird wahrscheinlich auch für 5G der Fall sein.“
„Ich denke, wir werden mit den brandneuen 5G-Technologien eine Weile ziemlich zufrieden sein, aber dann wird die Nachfrage wachsen und wachsen, und wir werden in etwa zehn Jahren beginnen, den Bedarf an etwas zu spüren, das 6G genannt werden könnte jetzt. Ich glaube, dass wir jetzt die notwendige Grundlagenforschung betreiben müssen, um diese Zukunft möglich zu machen, wenn wir sie brauchen. Ich hoffe trotzdem, dass das passiert.“