Forschung Neue Antenne für die Kommunikation nach Katastrophen

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Forscher der Stanford University und der American University of Beirut entwickelten eine leichte, tragbare Antenne, die mit Satelliten und Geräten am Boden kommunizieren kann und so die Koordinierung von Rettungs- und Hilfsmaßnahmen in katastrophengefährdeten Gebieten erleichtert.

Wenn eine Region von einem Erdbeben, einer Überschwemmung oder einer anderen Katastrophe heimgesucht wird, wird die bestehende Kommunikationsinfrastruktur wie Mobilfunk- und Funktürme oft beschädigt oder zerstört. Die schnellstmögliche Wiederherstellung der Notfallkommunikation ist für die Koordinierung von Rettungs- und Hilfsmaßnahmen unerlässlich.

Die Forscher entwickelten daher eine tragbare Antenne, die sich in katastrophengefährdeten Gebieten schnell einsetzen lässt oder sich auch zum Aufbau der Kommunikation in unterentwickelten Regionen eignen könnte.

Die Antenne, die kürzlich in der Zeitschrift 'Nature Communications' beschrieben wurde, lässt sich auf eine kleine Größe zusammenpacken und kann leicht zwischen zwei Konfigurationen wechseln, um entweder mit Satelliten oder Geräten am Boden zu kommunizieren, ohne zusätzliche Energie zu benötigen.

„Die modernen Lösungen, die typischerweise in diesen Gebieten eingesetzt werden, sind schwere, metallische Antennen. Sie sind nicht leicht zu transportieren, benötigen viel Energie und sind nicht besonders kosteneffizient", sagte Maria Sakovsky, Assistenzprofessorin für Luft- und Raumfahrttechnik in Stanford. „Unsere Antenne ist leicht, stromsparend und kann zwischen zwei Betriebszuständen wechseln. Sie ist in der Lage, in Bereichen, in denen es an Kommunikation mangelt, mit so wenig wie möglich mehr zu erreichen.

Zwei Funktionen in einer Antenne

Die Forscher haben die Antenne mit einem Ansatz entwickelt, der typischerweise bei der Entwicklung von Geräten für den Einsatz im Weltraum verwendet wird. Aufgrund von Treibstoff- und Platzbeschränkungen muss Technologie, die in die Erdumlaufbahn geschickt wird, sehr leicht und so klein wie möglich verpackt sein. Sobald die Geräte in der Umlaufbahn sind, falten sie sich in die richtige Form für die entsprechende Verwendung. Die Forscher wollten, dass ihre Antenne in ähnlicher Weise zusammenklappbar und leicht ist.

Die von Sakovsky und ihren Kollegen an der AUB entworfene Antenne besteht aus Faserverbundwerkstoffen (ein Material, das häufig in Satelliten verwendet wird) und ähnelt einem Spielzeug für Kinder, bei dem sich mehrere Materialstreifen spiralförmig kreuzen.

Wie bei jeder spiralförmigen Antenne sendet das leitende Material, das durch die Antenne verläuft, Signale aus, aber dank der einzigartigen Struktur können die Forscher das Muster und die Leistung dieser Signale in der neuen Antenne individuell anpassen, indem sie sie in längere oder kürzere Formen ziehen.

„Weil wir wollten, dass sich die Antenne in eine verpackbare Form zusammenlegen lässt, haben wir mit dieser Struktur begonnen, die uns zu einem sehr ungewöhnlichen Antennendesign geführt hat", sagte Sakovsky. „Wir verwenden Formen, die noch nie zuvor für Wendelantennen verwendet wurden, und wir haben gezeigt, dass sie funktionieren."

In ihrer kompaktesten Form ist die Antenne ein hohler Ring mit einer Höhe von etwas mehr als 2,5 cm und einem Durchmesser von etwa 12,5 cm - nicht viel größer als ein Armband - und einem Gewicht von etwa 40 Gramm. In dieser Form ist sie in der Lage, Satelliten mit einem leistungsstarken Signal zu erreichen, das in eine bestimmte Richtung gesendet wird. Wenn die Antenne auf eine Höhe von etwa einem Meter ausgezogen wird, sendet die Antenne ein Signal mit geringerer Leistung in alle Richtungen, ähnlich wie ein Wi-Fi-Router.

Der Wechsel zwischen diesen beiden Zuständen ist so einfach wie das Ziehen oder Drücken an der Antenne. Diese Bewegungen müssen nicht einmal besonders präzise sein, denn sobald die Antenne über einen bestimmten Punkt hinaus bewegt wird, rastet die Struktur in der richtigen Position ein. Die spezifische Größe und Form des Antennendesigns bestimmt, über welche Frequenzen diese beiden Zustände kommunizieren.

„Die Frequenz, auf der man arbeiten möchte, diktiert, wie groß die Antenne sein muss, aber wir konnten zeigen, dass man dieses Konstruktionsprinzip unabhängig von der Frequenz skalieren kann, um die gleiche Leistung zu erzielen", so Sakovsky.

Der hergestellte Prototyp wurde in Stanford auf seine Entfaltungsmöglichkeiten und seine strukturelle Leistung sowie in den Antennenmesseinrichtungen der AUB auf seine elektromagnetischen Strahlungseigenschaften hin getestet.

Anwendungen auch in der Umlaufbahn

Um im Feld eingesetzt zu werden, müsste die Antenne mit einem Transceiver zum Senden und Empfangen von Signalen, einer Grundplatte zum Reflektieren von Funkwellen und anderer Elektronik gekoppelt werden, aber das gesamte Paket würde trotzdem nur etwa 1 kg wiegen, so Sakovsky. Und die einzigartige Doppelfunktionalität der Antenne bedeutet, dass sie mehrere schwerere Antennen in Bereichen ersetzen könnte, in denen der Einsatz eine Herausforderung darstellt.

Dazu gehören Anwendungen in von Katastrophen heimgesuchten und unterentwickelten Gebieten, aber möglicherweise auch im Weltraum. Sakovsky und ihre Kollegen erwägen, ihr Design für die Satellitenkommunikation anzupassen, sodass Satelliten dieselbe Antenne verwenden können, um miteinander und mit den Bodenstationen zu kommunizieren.

„Wir haben auch bei unseren Raumfahrzeugen nicht viel Betriebsleistung, Volumen oder Masse übrig", sagte Sakovsky. „Das birgt ein großes Potenzial, um mehrere Antennen auf einem Satelliten durch eine einzige zu ersetzen."

Quelle: Stanford University

(mbf)

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