Telekommunikation: Mit dem Laser durch die Wolken

Laser könnten Daten von Satelliten viel besser übertragen als Radiowellen. Aber was tun bei schlechtem Wetter? Forscher aus der Schweiz haben einen Weg gefunden und machen sich dabei jahrzehntealte Forschung zunutze.

Artikel veröffentlicht am 22. Oktober 2018, 7:00 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

Wenn der Nebel zu dicht wird, kann ein Laser ihn normalerweise nicht mehr durchdringen (Bild: GettyImages)

Das Symbolbild für die Kommunikation mit Satelliten schlechthin ist die Satellitenschüssel: eine Antenne, die Radiowellen empfangen oder senden kann. Aber Funkverbindungen ermöglichen nur eine begrenzte Bandbreite. Viel mehr Daten ließen sich mit einer optischen Verbindung per Laser übertragen, und einige Anwendungen wie die Verteilung von Quantenschlüsseln per Satellit funktionieren ausschließlich per Laser. Das ist allerdings nur bei klarem Himmel möglich.

Funkverbindungen können mit passenden Frequenzbändern selbst in den Tropen bei alltäglichen schweren Regenfällen bestehen bleiben. Ein Laser hingegen würde von Nebel oder Wolken zerstreut werden, eine Verbindung wäre so unmöglich. Eine Gruppe Schweizer Forscher ist dabei, ein Konzept zu entwickeln, wie ein Laser zumindest Bodennebel und einige Wolken durchdringen kann. In der Wolkenkammer im Labor klappt es schon.

Einfach durch den Nebel brennen geht nicht

Wolken und Nebel bestehen aus kleinen Wassertröpfchen, die Laserlicht ablenken, brechen und streuen. Es wäre zwar denkbar, den Laser einfach so stark zu machen, dass er die Tröpfchen verdampft. Aber das würde zu viel Leistung in Anspruch nehmen. Zumal auch ein Laserstrahl durch Lichtbeugung an der Öffnung des Lasers selbst im Vakuum immer breiter wird und so in größerer Entfernung immer größere Teile der Wolke verdampfen müsste.

Um den Laser durch die Wolke zu bekommen, mussten die Forscher tief in die physikalische Trickkiste greifen. Die Auffächerung des Laserlichts ist das erste große Hindernis, um das Problem zu lösen. Je schmaler der Strahl bleibt, desto weniger Wassertröpfchen sind im Weg. Hier hilft es ausnahmsweise, dass der Laserstrahl eben nicht durch ein ideales Vakuum verläuft. Das Licht in Glasfasern zerstreut sich beispielsweise nicht, weil der Brechungsindex am Rand der Faser niedriger als in der Mitte ist. Die Lichtbeugung sorgt so dafür, dass das Licht immer wieder zurück zur Mitte gelangt.

Laser können eigene Fasern in der Luft erzeugen

Luft ist aber keine sorgfältig konstruierte Glasfaser. Die Forscher müssen mit dem Brechungsindex arbeiten, den die Luft nun mal hat - es sei denn, sie lassen sich etwas einfallen. Seit Erfindung des Lasers wurde daran gearbeitet, sehr intensives Laserlicht zu erzeugen. Um dafür nicht immer mehr Energie in den Laserstahl pumpen zu müssen, wurden stattdessen immer kürzere Laserpulse mit der gleichen Energiemenge erzeugt. Für diese Entwicklung bekamen Gérard Mourou und Donna Strickland in diesem Jahr eine Hälfte des Physik-Nobelpreises verliehen.

Einige Laser erzeugen heutzutage Pulse, die nur wenige Femtosekunden dauern. Mit ihnen reichen schon wenige Millijoule Energie aus, um für diese kurze Zeit Leistungen im Terawattbereich zu erreichen. Das ist die milliardenfache Leistung eines Lasers, der mit einigen Kilowatt Leistung zentimeterdicke Stahlplatten zerschneiden kann. Bei derart intensivem Laserlicht werden physikalische Eigenschaften wichtig, die normalerweise ignoriert werden können.

1875 entdeckte der schottische Physiker John Kerr, dass der Brechungsindex einiger Materialien durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert werden kann. Aber Licht hat die Eigenschaften einer elektromagnetischen Welle und erzeugt damit selbst elektrische Felder. Dieser sogenannte optische Kerr-Effekt wird aber erst bei sehr intensivem Licht so stark, dass das Licht selbst einen Einfluss auf den Brechungsindex hat. Bei noch stärkerem Licht kehrt sich diese Wirkung wieder um. Im Zusammenspiel dieser Effekte erzeugt ein Laser, wenn er stark genug ist, automatisch eine Art eigene elektromagnetische Glasfaser in der Luft.