Stanford-Ingenieure übertragen drahtlose Daten mit thermischem Umgebungsrauschen
Eine neuartige Kommunikationsmethode moduliert Elektronenschwingungen, statt aktive Radiowellen zu erzeugen, und senkt den Energieverbrauch um bis zu das Tausendfache.
Von Letizia Giugliano
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Forscher der Stanford University haben eine drahtlose Kommunikationsmethode entwickelt, die Binärdaten überträgt, ohne aktiv eine Radiowelle zu erzeugen. Wie in einer Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences beschrieben, manipuliert die Innovation Hintergrundrauschen, um Informationen zu übermitteln. Das System ermöglicht es stromsparenden Sensoren zu kommunizieren und verbraucht dabei bis zu tausendmal weniger Energie als herkömmliche Funksender.
Das Rauschen bewegter Elektronen nutzen
Drahtlose Geräte sind in der Regel auf aktive Funksender angewiesen, die viel Energie für die Erzeugung von Trägerwellen benötigen. Wie TechXplore berichtet, untersuchte die Hauptautorin Zerina Kapetanovic, Assistenzprofessorin für Elektrotechnik an der Stanford University, zunächst energiearme Telemetrie bei der Erforschung von Sensoren für die Landwirtschaft an der University of Washington. Auf der Suche nach einer Alternative zu energiezehrenden Signalen untersuchte das Team thermisches Rauschen – das mikroskopische elektrische Rauschen, das durch die Bewegung von Elektronen in Leitern entsteht – und markierte damit eine vielversprechende neue Innovation bei der drahtlosen Übertragung aus der Umgebung.
„Der Sender kann ein Signal zwischen kälter und heißer modulieren, aber er kühlt dabei nichts ab. Er ist einfach ein Reflektor.“
— Joseph Kahn, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University
Signale mit einem Elektronenkühlschrank modulieren
Um zu analysieren, wie Komponenten bei Raumtemperatur Daten ohne Temperaturunterschiede austauschen könnten, bauten die Doktoranden Geneva Ecola und Jida Zhang laut TechXplore eine abgeschirmte Prototyp-Kammer. Im Inneren des Gehäuses wechselt eine Sendeantenne zwischen offenem Stromkreis und Kurzschluss, um digitale Einsen und Nullen darzustellen. Am gegenüberliegenden Ende arbeitet der Empfangsverstärker wie ein Elektronenkühlschrank, der die Elektronenbewegung abkühlt, sodass das eintreffende reflektierte Rauschen ohne physische Kühlung zwischen heißeren und kälteren Zuständen wechselt.
Mathematische Modellierung und nächste Schritte
Gemeinsam mit dem Elektrotechnikprofessor Joseph Kahn leitete das Team ein mathematisches Kanalmodell ab, das die Übertragungsparameter beschreibt, wie TechXplore im Detail berichtet. Die Anwendung dieses mathematischen Rahmens zur Verbesserung ihres Testaufbaus steigerte die Datenübertragungsrate um das 100-Fache. Während die aktuelle Hardware in einer isolierten Kammer verifiziert wurde, arbeiten die Forscher daran, mehrere Sender zu vernetzen und die Signalstabilität in lauteren Außenumgebungen aufrechtzuerhalten, um diese bahnbrechende Erfindung näher an den praktischen Einsatz zu bringen.
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