Telekommunikation: Mit dem Laser durch die Wolken
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(öffnet im neuen Fenster) 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.(öffnet im neuen Fenster) 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.
Schockwellen räumen Tröpfchen beiseite
Der Laser wird von dem selbst erzeugten Brechungsindex in der Luft immer wieder fokussiert. Ein Laser mit einer Wellenlänge von 800 Nanometer kann sich so in der Luft als 100 Mikrometer dünner Strahl fortsetzen, ohne zerstreut zu werden. Diese sogenannten Laserfilamente(öffnet im neuen Fenster) wurden erstmals 1964 in Glas beobachtet und 1994 auch in Luft. Diese Filamente sind aber nicht geeignet, um größere Datenmengen zu übertragen. Derartige Laser können bestenfalls einige Tausend Pulse pro Sekunde abgeben. Die Daten müssten also von anderen Lasern übertragen werden. Aber denen fehlt wieder die nötige Leistung, um das Filament zu erzeugen.
Einen Ausweg aus dem Dilemma fanden amerikanische Forscher im Jahr 2013 (öffnet im neuen Fenster) bei der Untersuchung der Auswirkungen, die solche Laserfilamente auf die Luft haben, durch die sie verlaufen. Im Zentrum des Filaments werden einige Luftmoleküle zu starken Schwingungen angeregt und teilweise sogar zu Plasma ionisiert. Innerhalb von 10 Nanosekunden nach dem Puls gleichen sich die Schwingungen aus und das Plasma zerfällt wieder. Aber jetzt ist die Luft entlang des Filaments einige hundert Grad heiß und steht unter hohem Druck.
Innerhalb der nächsten Mikrosekunde wird dieser Druckunterschied mit der Umgebung ausgeglichen. Danach ist aber die Luft im Inneren des Filaments immer noch wärmer und somit weniger dicht als die der Umgebung. Diese Verhältnisse bleiben anschließend über mehrere Millisekunden bestehen – eine Ewigkeit im Vergleich zum kurzen Laserpuls oder der Zeit, bis sich der Kanal in der Luft gebildet hat. Die dünnere Luft im Inneren hat einen etwa zwei Prozent niedrigeren Brechungskoeffizienten als die dichtere Luft außen. Das ist aber genau das Gegenteil der Verhältnisse in einer Glasfaser.
Mehrere Filamente ergeben eine Luftfaser
Letztendlich fand sich auch dafür eine Lösung. Die Forscher benutzten einen Laser, der vier Laserfilamente in einer quadratischen Anordnung erzeugen kann, sodass ein "Loch" mit hoher Luftdichte in der Mitte verbleibt, mit dünner Luft darum herum. Diese komplexere Struktur ist etwas weniger langlebig, bleibt aber dennoch für etwa eine Millisekunde erhalten, bis sie vom nächsten Laserpuls wieder aufgebaut werden muss. In der Zwischenzeit können andere Laserstrahlen mit anderen Wellenlängen die Luftfaser zur Datenübertragung benutzten – und zwar in beide Richtungen!
Ein Problem bleibt noch. Luft ist nicht immer sauber. Aber die amerikanischen Forscher spekulierten schon 2013, dass die Laserfilamente durch die Druckwellen beim schnellen Aufheizen der Luft kleine Partikel selbstständig aus dem Weg räumen könnten. Das würde die Übertragungsqualität in den Luftkanälen nochmals deutlich verbessern. Hier kommen schließlich die Schweizer Forscher ins Spiel. Sie wiesen nach, dass diese Druckwellen auch die kleinen Wassertröpfchen einer Wolke oder einer Nebelbank einige Mikrometer zur Seite schieben können.
Die Wassertröpfchen sind dabei etwas träger als die Luft, sodass der freigeräumte Bereich für mehrere Millisekunden frei bleibt. Die nötige Energie dafür wird bei der Entstehung der Laserfilamente schon mitgeliefert. Das Prinzip wurde in einer 20 Zentimeter großen Wolkenkammer getestet. Darin können viel höhere Tröpfchendichten als in der Natur erreicht werden.(öffnet im neuen Fenster) Die optischen Eigenschaften entsprachen damit eher einer 100 Meter durchmessenden Wolke.
Die Technik braucht noch mehr Forschung und stärkere Laser
Trotz aller Erfolge ist die Technik noch nicht einsatzbereit. Zum einen muss sie noch über große Strecken in der turbulenten Atmosphäre getestet werden. Die Laserstrahlen können zwar für Millimeterbruchteile ihren eigenen Brechungsindex erzeugen, aber der Verlauf der Laserfilamente ist immer noch abhängig von Brechungsindex der Atmosphäre insgesamt. Deren genaue Auswirkungen auf den Prozess sind noch unbekannt und müssen eventuell erst unter Kontrolle gebracht werden.
Das andere Problem ist die nötige Energie zum Aufbau der Luftkanäle. Vier Filament sind nötig, jedes davon benötigt etwa 0,5 Millijoule pro Meter Luft. Um bis in den Weltraum zu gelangen, würden also einige Joule pro Puls benötigt. Femtosekundenlaser mit solchen Leistungsdaten sind gerade in der Entwicklung, stehen aber noch nicht für Anwendungen bereit. Bis dahin wird es bei schlechtem Wetter wohl bei den alten Satellitenschüsseln bleiben.
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