Laser-erzeugte Wolkenlöcher: Durchbruch für High-Speed-Satellitendaten

• Forscher wollen Löcher in Wolken sprengen, um Informationen mit hohen Raten zu übertragen.
• Dafür nutzen sie ultrakurze Hochintensitäts-Laserfilamente.
• Die Technologie hinterlässt keine negativen Auswirkungen auf die Atmosphäre.

Heutige Fernübertragung erfolgt entweder per Radiowellen (via Satelliten) oder unterirdischen Glasfaserkabeln. Doch der Informationsfluss nimmt jährlich stark zu, und bald wird die tägliche Nachfrage nicht mehr allein durch Radiowellenübertragung zu decken sein.

Da Radiowellen längere Wellenlängen haben (im Vergleich zu Laser), beschränken sie die übertragbare Datenmenge. Zudem sind verfügbare Frequenzbänder begrenzt und zunehmend teuer.

Daher verlagern Forscher ihren Fokus auf Lasertechniken, die komplexer als Radiofrequenzen sind, aber in puncto Sicherheit zahlreiche Vorteile bieten. Derzeit sind atmosphärische Barrieren ein Hauptproblem für freie optische Kommunikation (FSO).

Forscher der Universität Genf haben nun eine Technik entwickelt, die Löcher in Wolken sprengt, um den Weg für per Laser von einem Satelliten übertragene Informationen freizumachen.

Wolken durchdringen

Laser mit ultrakurzen Wellenlängen können zehntausendmal mehr Daten übertragen als Radiowellen, und die Kanalanzahl ist unbegrenzt. Doch diese ultrakurzen Strahlen können Nebel und Wolken nicht durchdringen. Bei schlechtem Wetter ist also keine Laser-Datenübertragung möglich.

Zur Lösung entwickeln Forscher mehr Bodenstationen, die Lasersignale in verschiedenen Regionen empfangen. Ziel: Station(en) auswählen, die von Satellit(en) je nach Wetter angepeilt werden.

Solche Lösungen existieren bereits, doch die Datenübertragung hängt weiterhin vom Wetter ab. Zudem ändert sich die Satellitenkonfiguration – ein ernstes Problem, das vorab verarbeitet werden muss.

Die derzeit einzige effektive Lösung: Ein Loch durch die Wolken schaffen, um den Laserstrahl mit Informationen durchzulassen. In dieser Studie bauten die Autoren einen ultrakurzen Hochintensitätslaser, der Luft auf über 1750 Kelvin erhitzt und eine Stoßwelle erzeugt, die Wassertropfen radial aus dem Strahlweg im Luftraum verdrängt. Dies erzeugt ein mehrere Zentimeter breites Loch über die gesamte Wolkendicke.

Referenz: arXiv:1810.09800 | University of Geneva

Sie nutzten dieselbe Lasertechnologie, die 2018 den Nobelpreis für Physik erhielt (optische Pinzetten). Man muss den Strahl nur auf der Wolke halten, und er überträgt hochbitratige Telekommunikationsdaten, da seine Frequenz im Kilohertz-Bereich liegt.

Credit: UNIGE/Xavier Ravinet

Laut Forschern ist dies die erste aktive Methode, die einen optischen Link durch Wolken und Nebel öffnet. Der hochleistungsfähige Laser erzeugt einen lokalen wolkenfreien Pfad mit verringerter Mie-Streuung für den zweiten, modulierten Strahl. Sie behaupten auch, ihre Technologie hinterlasse keine negativen atmosphärischen Auswirkungen.

Wie lange dauert die Implementierung?

Forscher testen die Laser derzeit an künstlichen Wolken von nur 50 cm Dicke, die aber 10.000-mal dichter sind als atmosphärische Wolken. Die Laser funktionieren in diesem Aufbau hervorragend, selbst bei bewegten Wolken.

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In der nächsten Testphase werden dickere Nebel und Wolken (bis 1.000 m) mit unterschiedlichen Dichten und Höhen verwendet. Ein entscheidender Schritt Richtung kommerzieller Lasersatellitenkommunikation – Forscher glauben, die Technologie wird bis 2025 global implementiert.