100-mal schneller: Forscher machen aus Störrauschen eine Funkverbindung

Ein Funksender braucht normalerweise ein hochfrequentes Trägersignal, um Informationen zu übertragen. Doch es geht offenbar auch anders. Forschende der Stanford University nutzen dafür ein Phänomen, das in praktisch jedem elektronischen Gerät auftritt: thermisches Rauschen.

Was normalerweise Funksignale stört, übernimmt bei ihnen selbst die Datenübertragung. Dafür benötigt der Sender keine eigens erzeugte hochfrequente Trägerwelle. Er verändert lediglich die elektrischen Eigenschaften einer Antenne.

Die Idee ist nicht völlig neu. Bereits 2022 hatte ein Forschungsteam an der University of Washington gezeigt, dass sich auf diese Weise Daten drahtlos übertragen lassen. Damals waren allerdings nur 26 Bit pro Sekunde möglich. Jetzt haben die Forschenden die Technik wesentlich verbessert. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie am 20. Oktober 2026 im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Wie aus elektrischem Rauschen ein Funksignal wird

Elektrisches Rauschen entsteht durch die ungeordnete thermische Bewegung von Ladungsträgern. Selbst in einem Widerstand, an dem keine äußere Spannung anliegt, lassen sich winzige Spannungsschwankungen messen. Fachleute sprechen vom Johnson-Nyquist-Rauschen, benannt nach den Physikern John B. Johnson und Harry Nyquist, die den Effekt 1928 untersuchten.

Normalerweise versuchen Ingenieure, dieses Rauschen möglichst gering zu halten. Denn es überlagert die Nutzsignale und erschwert den Empfang. Die Stanford-Forschenden um Elektrotechnikprofessorin Zerina Kapetanovic nutzen es dagegen gezielt zur Kommunikation.

Dafür genügt eine Antenne mit einer einfachen elektrischen Schaltung. Diese kann zwischen zwei Zuständen umschalten: Einmal ist der Stromkreis offen, einmal kurzgeschlossen.

Dadurch verändert sich, wie die Antenne elektromagnetisches Rauschen aufnimmt und reflektiert. Der Empfänger registriert die Unterschiede in der Rauschleistung. Ein Zustand steht für die digitale Null, der andere für die Eins. Auf diese Weise lassen sich Informationen übertragen.

Das Verfahren trägt den Namen Thermal Noise Backscatter, also Rückstreuung thermischen Rauschens. Es erinnert an die Technik passiver RFID-Transponder, wie sie beispielsweise bei elektronischen Zugangssystemen verwendet werden. Dort sendet ein Lesegerät ein Funksignal aus, dessen Reflexion der Transponder verändert. Das Stanford-System kommt dagegen ohne eine solche eigens bereitgestellte Trägerwelle aus.

Ganz ohne elektromagnetische Wellen funktioniert die Verbindung natürlich nicht. Der Unterschied liegt darin, dass der Sender kein eigenes hochfrequentes Trägersignal erzeugen muss.

Warum funktioniert das bei gleicher Temperatur?

Bei den ersten Versuchen im Jahr 2022 war den Forschenden ein ungewöhnlicher Effekt aufgefallen. Die Datenübertragung funktionierte, obwohl Sender, Empfänger und Umgebung dieselbe Temperatur hatten. Das warf eine Frage auf: Wie können messbare Unterschiede im thermischen Rauschen entstehen, wenn die beteiligten Bauteile gleich warm sind?

Kapetanovic untersuchte das Problem an der Stanford University gemeinsam mit Geneva Ecola, Jida Zhang und Joseph Kahn. Dafür bauten sie eine elektromagnetisch abgeschirmte Versuchskammer, in der sich der Abstand zwischen Sender und Empfänger verändern ließ.

Die Experimente zeigten, dass der Empfangsverstärker eine entscheidende Rolle spielt. Vereinfacht gesagt beeinflusst er die Rauschverhältnisse so, dass reflektierte Signale je nach Schaltungszustand der Sendeantenne unterschiedlich stark erscheinen.

Die Forschenden beschreiben das mithilfe der sogenannten Rauschtemperatur. Sie ist ein Maß für die Stärke des elektrischen Rauschens und nicht mit der tatsächlichen Temperatur eines Bauteils gleichzusetzen. Der Empfänger nimmt also abwechselnd scheinbar wärmere und kältere Rauschsignale wahr, obwohl die Bauteile ihre Temperatur nicht verändern.

Joseph Kahn erklärt das in einer Mitteilung der Stanford University vom 19. Oktober 2026 so: „Der Sender kann ein Signal zwischen kälter und wärmer modulieren, tut dies jedoch, ohne dabei irgendetwas abzukühlen.“ Kahn ergänzt: „Das ist doch nur ein Reflektor.“

Der Sender verändert demnach nur, wie stark das vorhandene Rauschen zurückgeworfen wird. Genau darin steckt die Information.

Mehr als 100-mal schneller als beim ersten Versuch

Mit den neuen Erkenntnissen entwickelten die Forschenden ein mathematisches Modell, das die Übertragung beschreibt. Es zeigt unter anderem, wie sich die messbaren Unterschiede zwischen den beiden Schaltungszuständen und die verfügbare Bandbreite auf die Datenrate auswirken.

Anhand dieses Modells optimierten sie ihren Versuchsaufbau. Das Ergebnis: Die Geschwindigkeit stieg auf mehrere Kilobit pro Sekunde und damit um mehr als zwei Größenordnungen gegenüber den früheren Experimenten.

Zusätzlich verwendete das Team sogenannte Polar-Codes. Diese Fehlerkorrekturcodes helfen dem Empfänger, Informationen selbst dann zuverlässig auszulesen, wenn das Rauschen die übertragenen Bits schwer unterscheidbar macht.

Mit diesem Verfahren erreichten die Forschenden die von ihrem Modell vorhergesagte Übertragungskapazität unter den untersuchten Bedingungen.

Wie groß der Fortschritt ist, zeigt der Vergleich mit dem früheren Versuchsaufbau.

Die neue Technik kann damit deutlich mehr Informationen übertragen als die ursprüngliche Demonstration. Mit WLAN oder Mobilfunk konkurriert sie dennoch nicht. Dafür sind die erreichbaren Datenraten viel zu gering.

Ein Funksender, der deutlich weniger Energie benötigt

Interessant könnte das Verfahren vor allem dort werden, wo nur kleine Datenmengen übertragen werden müssen. Beispielsweise bei Sensoren, die Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder andere Messwerte regelmäßig an eine Empfangsstation melden.

Ein herkömmlicher Funksender benötigt Energie, um ein Hochfrequenzsignal zu erzeugen. Beim Stanford-Verfahren entfällt dieser Schritt.

Nach Angaben der Universität kann ein Sender, der thermisches Rauschen nutzt, gegenüber einem Sender mit aktiv erzeugtem Hochfrequenzsignal bis zu 1000-mal weniger Energie für die Datenübertragung benötigen.

Diese Zahl beschreibt allerdings nicht den Stromverbrauch der gesamten Funkverbindung. Die Schaltung des Senders muss weiterhin umgeschaltet werden. Auch der Empfänger benötigt Energie, um die schwachen Rauschunterschiede zu verstärken und auszuwerten. Wie groß die Einsparung unter realen Bedingungen ausfällt, hängt deshalb vom vollständigen System ab.

Die Forschenden interessieren sich besonders für Anwendungen, bei denen wenig Energie zur Verfügung steht. Kapetanovic beschäftigte sich bereits an der University of Washington mit landwirtschaftlichen Sensoren, etwa zur Messung der Bodenfeuchtigkeit. Auch in der Nähe empfindlicher Messgeräte könnte das Verfahren Vorteile bieten, weil der Sender kein zusätzliches hochfrequentes Trägersignal erzeugen muss.

Jida Zhang erklärt in der Stanford-Mitteilung: „Die Erzeugung eines aktiven Signals ist sehr energieintensiv, und in manchen Umgebungen möchte man keine durch dieses aktive Signal verursachten Störungen.“

Es gibt bereits weitere Forschungsansätze, natürliche Strahlung zur Kommunikation zu verwenden. So berichtete ingenieur.de über eine Technik, die Informationen in natürlicher Wärmestrahlung versteckt. Dort werden Daten mithilfe von Infrarotstrahlung übertragen. Der physikalische Mechanismus unterscheidet sich allerdings deutlich vom Stanford-Verfahren.

Außerhalb des Labors steht der Nachweis noch aus

Bislang haben die Forschenden ihre neue Technik in einer abgeschirmten Versuchskammer getestet. Dort konnten sie äußere elektromagnetische Störungen weitgehend ausschließen.

Ob die Übertragung auch in einer gewöhnlichen Funkumgebung zuverlässig funktioniert, wird derzeit untersucht. Denn andere elektromagnetische Signale können die Messung der sehr kleinen Rauschunterschiede erschweren.

Außerdem arbeitet das Stanford-Team daran, mehrere Sender miteinander zu vernetzen. Auch die erreichbaren Entfernungen unter realistischen Bedingungen sind noch zu klären.

Für Zerina Kapetanovic steht nach der Entwicklung des neuen Kanalmodells zunächst die weitere Optimierung im Mittelpunkt. In der Stanford-Mitteilung erklärt sie: „Wenn man erst einmal wirklich versteht, wie ein System funktioniert, kann man es vollständig optimieren und die Leistungsgrenzen voll ausschöpfen.“

Quellen

• PNAS: First-principles channel model and capacity-achieving transmission scheme in thermal noise backscatter links – Ecola et al., 20. Oktober 2026. Wissenschaftliche Originalarbeit zur Übertragungstechnik und zum neuen Kanalmodell.
• Stanford University: Thermal noise used to send data without an active signal – 19. Oktober 2026. Pressemitteilung mit Originalzitaten und Informationen zum Versuchsaufbau.
• PNAS: Communication by means of modulated Johnson noise – Kapetanovic et al., 2022. Frühere Originalstudie mit den Angaben zu Datenrate und Reichweite.
• University of Washington: Modulated Johnson Noise – Projektseite zur ursprünglichen Technik mit ergänzenden Erläuterungen.