Diese Antenne existiert nur als Plasma und sendet trotzdem

Ein violetter Lichtstreifen zieht sich durch die Luft. Er erinnert an ein Lichtschwert, dahinter steckt aber ein Antennenexperiment. Forschende in den USA erzeugen mit einem Laser einen dünnen Plasmakanal und speisen kontaktlos ein Funksignal ein. Eine Empfangsantenne registriert fünf Zentimeter entfernt ein deutlich stärkeres Signal, sobald das Plasma vorhanden ist.

Gesendet wird bei 30 MHz, an der unteren Grenze des VHF-Bereichs. Die Arbeit von Prya Darshni, Arthur Dogariu und Paul D. Franzon ist im IEEE Journal of Microwaves erschienen. Neu ist dabei weniger die grundsätzliche Idee einer Plasmaantenne als die Art, wie das Funksignal in das lasererzeugte Plasma gelangt.

Der Laser macht Luft kurzzeitig leitfähig

Die Antenne ist nicht der Laserstrahl selbst. Der Laser ionisiert vielmehr einen schmalen Bereich der Luft. Dabei entstehen freie Ladungsträger, sodass sich dieser Bereich kurzzeitig elektrisch leitfähig verhält. Die Forschenden sprechen von einem „Laser-Induced Plasma Filament“, kurz LIPF.

„Die Plasmaantenne sieht aus wie ein Lichtschwert und ist abstimmbar. Das bedeutet, dass wir über einen breiten Frequenzbereich senden können sollten“, sagt Studienautorin Prya Darshni in einer Mitteilung der North Carolina State University vom 5. Oktober 2026.

Dass die Antenne abstimmbar sein könnte, ist technisch interessant. Die Eigenschaften des Plasmafilaments hängen von den Laserparametern ab. Unter anderem lässt sich beeinflussen, wie weit sich der ionisierte Bereich erstreckt. Bei klassischen Metallantennen ist die Geometrie dagegen weitgehend fest vorgegeben.

Das Funksignal gelangt berührungslos ins Plasma

Die eigentliche Herausforderung war, das Hochfrequenzsignal in das Plasma einzukoppeln. Eine metallische Zuleitung würde das Plasmafilament verändern. Die Forschenden entwickelten deshalb eine kontaktlose Einspeisung.

Der Laser läuft durch einen metallischen Ring. Dieser dient zur kapazitiven Kopplung. Ein HF-Generator speist das 30-MHz-Signal ein; das elektrische Feld des Rings überträgt es auf das Plasma. Das Plasmafilament kann daraufhin selbst ein elektromagnetisches Feld abstrahlen. Der genaue Aufbau ist in der Publikation zur Plasmafilament-Antenne beschrieben.

Vereinfacht läuft der Versuch so ab:

Laser → ionisierte Luft → Plasmafilament → kapazitive HF-Einspeisung → elektromagnetische Abstrahlung

Das unterscheidet den neuen Aufbau von früheren Experimenten mit lasererzeugten Plasmaantennen.

Empfangssignal steigt auf das 2,5-Fache

Für die Messung standen Plasmaantenne und Empfangsantenne nur rund fünf Zentimeter auseinander. Beide waren gleich linear polarisiert. Der Abstand ist wichtig: Die Forschenden arbeiteten damit ausdrücklich im Nahfeld und demonstrierten noch keine Funkverbindung über eine größere Strecke.

Zunächst blockierten sie den Laser. Der kapazitive Ring wurde weiterhin mit dem 30-MHz-Signal gespeist, ein Plasmafilament entstand jedoch nicht. Danach wiederholten sie die Messung mit eingeschaltetem Laser.

Mit Plasma registrierte die Empfangsantenne eine 2,5-mal höhere Signalstärke als beim Vergleichsversuch ohne Plasmafilament. Das entspricht einer Steigerung um 150 %. Die Autoren werten dies als Nachweis, dass das kapazitiv gespeiste Plasma selbst ein elektromagnetisches Feld abstrahlt.

Bei 30 MHz ist die Wellenlänge zehn Meter

30 MHz entsprechen im freien Raum einer Wellenlänge von ungefähr zehn Metern. Eine klassische Viertelwellenantenne wäre damit grob 2,5 m lang.

Der Laboraufbau lässt sich aber nicht einfach mit einer frei stehenden resonanten Stabantenne vergleichen. Das Plasma wird kapazitiv angeregt, und Sender sowie Empfänger befinden sich im Nahfeld. Zunächst geht es darum, überhaupt nachzuweisen, dass das Filament als abstrahlendes Antennenelement funktionieren kann.

Spannend wird das Prinzip, wenn sich die Geometrie des Plasmafilaments tatsächlich gezielt verändern lässt. Dann wäre eine Antenne denkbar, die nicht durch einen mechanisch verstellbaren Metallstab an verschiedene Aufgaben angepasst wird, sondern durch Änderungen am Laser.

Auch die räumliche Ausrichtung könnte sich prinzipiell verändern. Wird der Laser anders geführt, folgt ihm der Plasmakanal.

Satelliten könnten profitieren – wenn das Prinzip skalierbar ist

Gerade in der Raumfahrt sind große und bewegliche Antennen aufwendig. Sie müssen beim Start in eine Nutzlastverkleidung passen und anschließend entfaltet werden. Bei sehr großen Konstruktionen stößt dieses Prinzip an Grenzen. Ein anderes Konzept, über das ingenieur.de bereits berichtet hat, sieht deshalb vor, mehr als 100 m große Radarstrukturen erst mit Robotern im Weltraum zusammenzubauen.

Eine Plasmaantenne würde einen völlig anderen Weg gehen. Statt eine feste Struktur auszuklappen oder zusammenzubauen, könnte der leitfähige Bereich erst am Einsatzort erzeugt werden.

„Das ist ein spannendes neues Konzept, mit dem sich eine maßgeschneiderte Antenne realisieren ließe, ohne komplizierte mechanische Ausklappmechanismen zu benötigen“, sagt Co-Autor Paul Franzon in der Mitteilung der North Carolina State University.

Die Autoren nennen Satelliten und Flugzeuge ausdrücklich als mögliche Anwendungen. Franzon weist darauf hin, dass in niedrigen Erdumlaufbahnen noch genügend Restatmosphäre vorhanden sei, um Plasma zu erzeugen.

Was die Plasmaantenne noch nicht kann

Der Versuch zeigt: Ein kapazitiv gespeistes Laser-Plasmafilament kann tatsächlich elektromagnetische Wellen abstrahlen. Damit ist das Grundprinzip belegt. Für eine praxistaugliche Antenne fehlen aber noch wichtige Nachweise.

Bislang wurde nur bei 30 MHz getestet. Ob sich die Antenne wie erhofft über einen größeren Frequenzbereich abstimmen lässt, ist noch offen. Auch als Empfangsantenne wurde das System nicht erprobt. Belastbare Daten zu Reichweite, Wirkungsgrad, Dauerbetrieb und Richtwirkung fehlen ebenfalls.

Hinzu kommt die Energiebilanz. Eine Metallantenne braucht keinen Laser, um leitfähig zu bleiben. Bei einer Plasmaantenne müsste der zusätzliche Aufwand für Laser, Optik und Stromversorgung durch klare Vorteile bei Anpassbarkeit, Gewicht oder Mechanik aufgewogen werden.

Laser-Plasmaantennen gab es schon 2013

Ganz neu ist die Idee nicht. Bereits 2012 untersuchten Forschende rechnerisch, ob laserinduzierte Plasmafilamente als rekonfigurierbare Antennen für Radar genutzt werden könnten. Dabei wurden unter anderem Impedanz, Strahlungsdiagramm und Wirkungsgrad modelliert.

Ein Jahr später demonstrierte ein französisches Forschungsteam sogar experimentell eine sendende Plasmaantenne in Luft. Ein ultrakurzer Laserpuls erzeugte damals zunächst den Plasmakanal. Weil dieser nur sehr kurz ausreichend leitfähig blieb, nutzten die Forschenden zusätzlich eine Tesla-Spule mit rund 350 kV. Die Hochspannungsentladung verlängerte die Lebensdauer des Plasmas. Das HF-Signal wurde anschließend induktiv eingekoppelt. Die Antenne sendete zwischen etwa 100 MHz und 1 GHz. Der Versuch wurde 2013 auf der CLEO Europe vorgestellt.

Hier liegt der Fortschritt der aktuellen Arbeit. Der neue Aufbau kommt ohne diese zusätzliche Hochspannungsentladung aus und koppelt das 30-MHz-Signal kapazitiv und berührungslos in das Laserfilament ein. Die Autoren sprechen deshalb vorsichtig von der ersten Demonstration dieses speziellen Konzepts – nicht von der ersten Plasmaantenne überhaupt.

Quellen

• IEEE Journal of Microwaves, September 2026:„Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF“ von Prya Darshni, Arthur Dogariu und Paul D. Franzon
• North Carolina State University, 5. Oktober 2026:Researchers Successfully Demonstrate Plasma Beam Antenna
• CLEO Europe/IQEC 2013:Experimentelle Laser-Plasmaantenne mit Hochspannungsentladung und induktiver HF-Einspeisung
• Frühere Forschungsarbeit, 2012:Reconfigurable plasma antenna produced in air by laser-induced filaments