Schaffen eines temporären Lochs in der Cloud zur Förderung der Satellitenkommunikation

• Forscher wollen Löcher in die Wolken sprengen, um Informationen mit hoher Geschwindigkeit zu übertragen.
• Dafür werden sie ultrakurze hochintensive Laserfilamente verwenden.
• Die Technologie hinterlässt keine negativen Auswirkungen auf die Atmosphäre.

Die heutigen Langstreckeninformationen werden entweder über Funkwellen (über Satelliten) oder über unterirdische Glasfaser übertragen. Allerdings nimmt der Informationsfluss von Jahr zu Jahr deutlich zu und schon bald wird es nicht mehr möglich sein, den täglichen Bedarf allein durch die Übertragung von Daten über Funk zu decken.

Da die Funkwellen (im Vergleich zu Laserwellen) längere Wellenlängen haben, schränken sie die zu übertragende Datenmenge ein. Außerdem sind die verfügbaren Frequenzbänder begrenzt und werden immer teurer.

Deshalb verlagern Forscher ihren Fokus nun auf Lasertechniken, die zwar viel komplexer sind als Radiofrequenzen, aber zahlreiche Sicherheitsvorteile aufweisen. Gegenwärtig sind atmosphärische Barrieren eines der Hauptprobleme für die optische Kommunikation im freien Weltraum (FSO).

Jetzt haben Forscher der Universität Genf in der Schweiz eine Technik entwickelt, bei der Löcher in die Wolken gesprengt werden, um den Weg für Informationen zu ebnen, die von einem Satelliten per Laser übertragen werden.

Die Wolken durchdringen

Laser mit ultrakurzen Wellenlängen können zehntausendmal mehr Daten übertragen als Funkwellen, und die Anzahl der Kanäle ist unbegrenzt. Diese ultrakurzen Strahlen können jedoch Nebel und Wolken nicht durchdringen. Bei schlechtem Wetter können Sie also mit Lasern eigentlich keine Daten übertragen.

Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Forscher nun weitere Bodenstationen, die in verschiedenen Regionen Lasersignale empfangen können. Ziel ist es, je nach Wetterlage die von Satelliten angesteuerte(n) Station(en) auszuwählen.

Diese Art von Lösungen gibt es bereits, aber die Übertragung von Daten hängt noch immer von Wettersituationen ab. Außerdem ändert es die Konfiguration des/der Satelliten – ein ernstes Problem, das vor der Kommunikation verarbeitet werden muss.

Im Moment ist die einzige effektive Lösung, ein Loch durch die Wolken zu schlagen, um den Laserstrahl zu übertragen, der Informationen trägt. In dieser Studie haben die Autoren etwas Ähnliches getan:Sie haben einen ultrakurzen Hochleistungslaser gebaut, der die Luft auf mehr als 1750 Kelvin erhitzt und eine Stoßwelle erzeugt, um die Wassertröpfchen radial aus dem Strahl aus der Luft auszustoßen, die er streicht. Dadurch entsteht ein mehrere Zentimeter breites Loch über die gesamte Dicke der Wolke.

Referenz: arXiv:1810.09800 | Universität Genf

Sie verwendeten dieselbe Lasertechnologie, die 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde (optische Pinzette). Sie müssen den Strahl nur in der Cloud halten und er überträgt Telekommunikationsdaten mit hoher Bitrate, da seine Frequenz im Kilohertz-Bereich liegt.

Bildnachweis: UNIGE/Xavier Ravinet

Laut den Forschern ist dies die erste aktive Methode, die eine optische Verbindung durch Wolken und Nebel öffnet. Der Laser mit hoher Spitzenleistung erzeugt einen lokalen wolkenlosen Pfad mit verringerter Mie-Streuung für den zweiten, modulierten Strahl. Sie behaupteten auch, dass ihre Technologie keine negativen Auswirkungen auf die Atmosphäre hat.

Wie lange dauert die Implementierung?

Forscher testen die Laser derzeit an künstlichen Wolken, die nur 50 Zentimeter dick, aber 10.000 Mal dichter sind als atmosphärische Wolken. Die Laser funktionieren in diesem Setup hervorragend, selbst wenn sich die Wolke bewegt.

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In der nächsten Testphase werden sie dickeren Nebel und Wolken (bis zu 1.000 Meter dick) mit unterschiedlichen Dichten und Höhen verwenden. Dies ist ein entscheidender Schritt in Richtung kommerzieller Lasersatellitenkommunikation, und Forscher gehen davon aus, dass die Technologie bis 2025 weltweit implementiert sein wird.