Teraherz für Funknetze mit 100 Gbit/s

Drahtlose Kommunikation (vgl. Funknetz) arbeitet typischerweise bei Trägerfrequenzen im Mikrowellenbereich (0.8 .. 2.5 resp. 5..5.8 GHz). WLANs oder Mobilfunk (LTE-Advanced) erreichen heute damit Übertragungsraten von einigen 100 Mbit/s – prinzipiell sind hier jedoch ca. 10 Gbit/s möglich. Das Frequenzspektrum bis 275 GHz ist aber stark reguliert und bietet zu wenig ungenutzte Bandbreite, um dem steigenden Bedarf (Verdopplung alle 18 Monate) in Zukunft gerecht zu werden.

Die THz-Strahlung bietet sich an, weil Frequenzen zwischen 300 GHz und 1 THz bisher keiner Regulation unterliegen und höhere Trägerfrequenzen mit großen Bandbreiten (10…100 GHz) arbeiten können und so Übertragungsraten mit mehr als 100 Gbit/s ermöglichen. Es konnten bereits Datenraten von 24 Gbit/s bei 300 GHz und 100 Gbit/s bei 237,5 GHz (auf 4 Kanälen) demonstriert werden. Die Überlagerungsempfangs-Technik ermöglicht die Nutzung verschiedener Trägerfrequenzen unterhalb 1 THz und könnte für kommerzielle Richtfunk-Verbindungen mittelfristig von Interesse sein (für den Privatgebrauch sind diese Systeme derzeit noch zu groß und zu teuer). Der Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert jedoch die THz-Strahlen und begrenzt ihre Ausbreitung. Unterhalb von 1 THz befinden sich lediglich drei Frequenzfenster mit einer Dämpfung von weniger als 60 dB/km, die für die Telekommunikation in Frage kämen. Jenseits von 1 THz steigt die Absorption (von Wasserdampf und anderen atmosphärischen Gasen) in der Atmosphäre zu stark an, um diesen Bereich zu nutzen, geschweige denn, um Systeme mit hohen Datenraten umzusetzen. Diese Einschränkung definiert die möglichen Anwendungsbereiche. Die Dämpfung in der Atmosphäre spielt bei Datenkommunikation in Innenräumen keine große Rolle und der Bedarf an höheren Bandbreiten steigt (u.a. HD-Videos, Streaming) ständig. Im Außenbereich sind die Anbindung von Haushalten an das Internet (letzte Meile) oder Backhaul-Links im Mobilfunkbereich denkbar. Eine weitere Möglichkeit ist die Kommunikation zwischen Satelliten oder eine satellitengestützte Internetverbindung für Flugzeuge. Die beschränkte Reichweite und die geringe Verbreitung von Empfängern könnte die Technik in Hinsicht auf Abhörbarkeit für militärische Zwecke interessant machen.

Neben bisher (2014) fehlenden kompakten, leistungsfähigen und preiswerten Quellen und Empfängern müssen für eine breitere Anwendung die besonderen Eigenschaften der Terahertzstrahlung beachtet werden. In Gebäuden spielen Reflexionen an Oberflächen und Mehrschichtsystemen sowie Streuung eine größere Rolle als bei derzeit verwendeten Wellenlängen. Die starke Richtwirkung, die bei gleichzeitig kleinen Antennen möglich ist, kann Vor- oder Nachteile haben.

Sicherheitstechnik
Die Sicherheitskontrollen an Flughäfen wurden nach Zwischenfällen in den letzten Jahren immer weiter verschärft und der Einsatz von auf Terahertzwellen basierenden Körperscannern verspricht, Kontrollen zu beschleunigen und zuverlässiger zu machen. Die Terahertzstrahlung scheint für diese Zwecke vielversprechend zu sein: Die Strahlung durchdringt Kleidungsstücke und wird von der Haut reflektiert. Unter der Kleidung versteckte Waffen aus Metall, Keramik oder Plastik sind somit leicht zu erkennen. Die Auflösung ist ausreichend hoch, um die Gegenstände am Körper zu lokalisieren.

Bei der Suche nach Sprengstoffen oder Drogen könnten unbekannte Stoffe am Körper oder in Behältnissen identifiziert werden, da sie oberhalb von 500 GHz charakteristische Absorptionsspektren aufweisen. Bisher waren Messungen jedoch häufig lediglich unter (idealisierten) Laborbedingungen erfolgreich: Absorptionsmessungen fanden in Transmission (gutes Signal-Rausch-Verhältnis), an reinen Stoffproben oder bei niedrigen Temperaturen (schärfere Spektren) statt. Die Herausforderungen einer möglichen Umsetzung sind folgende: Ab 500 GHz absorbiert die Atmosphäre deutlich stärker, Kleidung ist zwar weitgehend transparent, aber an den Grenzflächen kommt es zu Reflexionen, in den Materialien kommt es zu Streuung. Bei mehreren Kleidungsschichten wird das Signal sehr schwach. Bei Stoffmischungen überlagern sich die Absorptionsspektren und die Identifikation wird erschwert. Die Oberflächenstruktur beeinflusst zusätzlich das Reflexionsverhalten. Deshalb äußern sich viele Wissenschaftler äußerst kritisch zu einer einfachen Umsetzung.

Neben den Körperscannern gibt es noch weitere Anwendungen in der Sicherheitsbranche, deren Umsetzung realistisch scheint. Postsendungen könnten auf gefährliche oder verbotene Substanzen hin untersucht werden, Zusatzstoffe in Sprengstoffen könnten Rückschlüsse auf Herstellungsprozess liefern und helfen, deren Herkunft zu ermitteln. Medikamente könnten auf Echtheit überprüft werden, bzw. ob sich die Medikamente während der Lagerung verändert haben (durch die Verpackung hindurch).

Das größte Hindernis ist derzeit (2014) das Fehlen von preiswerten, kompakten und durchstimmbaren THz-Quellen.

Biologie und Medizin
Der große Brechungsindex von organischem Gewebe im THz-Spektrum erlaubt sehr kontrastreiche Aufnahmen und kann konventionelle Aufnahmetechniken ergänzen. Die Strahlung ist nicht-ionisierend und kann gefahrlos für medizinische und biologische Anwendungen eingesetzt werden. Ganzkörperscanner (analog zu CT oder MRT) sind nicht möglich, da die Strahlung bereits von der Haut absorbiert wird und den Körper nicht durchdringt. Zur Diagnose ist die Technik bei nicht-invasivem Einsatz auf die äußeren Organe beschränkt, mittels endoskopischer Sonden können jedoch innere Organe untersucht werden.

So zeigen erste Studien das Potenzial bei der Krebsfrüherkennung auf der Hautoberfläche oder mit Sonden bei Darm- oder Gebärmutterhalskrebs. Bei operativen Eingriffen zur Entfernung von Tumorzellen kann die Grenze zwischen Tumorzellen und gesundem Gewebe sichtbar gemacht werden. Die Krebszellen unterscheiden sich von den gesunden Körperzellen durch ihren Wassergehalt.

Mit THz-Strahlen kann das Ausmaß einer Verbrennungskrankheit deutlich besser als mit gegenwärtigen Methoden der Verbrennungsdiagnostik bestimmt werden.

Für medizinische und biologische Anwendungen sind weitere Eigenschaften der THz-Strahlen interessant: Durch die kohärente Messung von Terahertzpulsen kann die Dicke einer Probe bestimmt werden, indem die Zeitverzögerung beim Durchlaufen der Probe gemessen wird. Das THz-Spektrum liegt im Bereich vieler Vibrations- und Rotationsübergängen organischer Moleküle und eignet sich daher, zwischenmolekulare Bindungen von Molekülstrukturen in vivo zu untersuchen. Die dreidimensionale Molekülstruktur ist für viele biochemische Prozesse von großer Bedeutung. Zu den Risiken der Terahertzstrahlung gibt es bereits erste Studien, wobei keine Änderungen des Erbguts festgestellt werden konnten. Bedingt durch die ihre starke Absorption in Wasser kann es zu lokalen Erwärmungen kommen. An Zellkulturen konnte ein Einfluss auf enzymatische Prozesse beobachtet werden, dies lässt sich jedoch nicht unmittelbar auf den Menschen übertragen.

Astronomie
Auch in der Astronomie eröffnet die Terahertzstrahlung neue Möglichkeiten. So misst beispielsweise die ESA auf diese Weise die Oberflächentemperatur der Erde. Auch der Nachweis von einfachen chemischen Verbindungen wie Kohlenstoffmonoxid, Wasser, Cyanwasserstoff und vielen anderen ist durch Messung der Emissionen, die bei Rotationsübergängen der Moleküle entstehen, im Terahertzbereich möglich. Solche Instrumente (beispielsweise German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, Great) sollen in das fliegende Teleskop SOFIA eingebaut werden. Auch das Weltraumteleskop Herschel ist mit entsprechenden Instrumenten ausgerüstet.