3D-Druck statt Repeater: Neue Paneele lenken 6G-Funk um Wände
Statt zusätzlicher Repeater: Forschende entwickeln passive 3D-Paneele, die 5G- und 6G-Signale gezielt um Hindernisse lenken.
Ein passives, im 3D-Druck hergestelltes Metakristall-Paneel lenkt Funkwellen gezielt um Hindernisse herum und zu den Nutzerinnen und Nutzern. Dadurch lässt sich die Funkversorgung in Innen- und Außenbereichen kostengünstig verbessern – ganz ohne zusätzliche Basisstationen, Verkabelung oder strombetriebene Elektronik.
Foto: Aalto University / Mahdi Asgari
Keller, Tunnel, Lagerhallen oder verwinkelte Bürogebäude – überall dort, wo Wände und andere Hindernisse Funksignale abschirmen, wird die Verbindung schnell instabil. Bislang hilft meist nur zusätzliche Technik: mehr Router, mehr Repeater oder mehr Basisstationen.
Mit dem künftigen 6G-Mobilfunk könnte diese Herausforderung noch größer werden. Denn die neuen Netze sollen deutlich höhere Frequenzbereiche nutzen können. Sie versprechen hohe Datenraten, reagieren aber empfindlicher auf Hindernisse als viele heutige Mobilfunkbänder.
Forschende der Aalto-Universität in Finnland verfolgen deshalb einen anderen Ansatz. Sie haben sogenannte Metakristalle entwickelt – passiv arbeitende Paneele aus dem 3D-Drucker, die Funkwellen gezielt umlenken können. Sie benötigen weder Strom noch Elektronik. Stattdessen übernimmt ihre besondere innere Struktur die gesamte Signalführung.
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Funkwellen lenken statt neue Sender aufstellen
Das Prinzip erinnert an einen Spiegel. Anstatt zusätzliche Funkquellen zu installieren, wird das vorhandene Signal gezielt in Bereiche gelenkt, die sonst schlecht erreichbar wären.
Doktorand Mahdi Asgari erklärt das so: „Wenn ein Raum zu dunkel ist, kann man mehr Lampen aufstellen – oder einfache Spiegel nutzen, um das bereits vorhandene Licht zu lenken. Genau das leisten diese Metakristalle, nur mit Funkwellen.“
Die Paneele könnten später an Wänden, Decken oder anderen festen Bauteilen montiert werden. Dort würden sie Signale beispielsweise um Gebäudeecken, in lange Flure oder in abgeschattete Bereiche einer Produktionshalle lenken.
Dabei geht es allerdings nicht um eine Universallösung. Jedes Paneel wird für eine bestimmte Umgebung ausgelegt. Seine innere Geometrie richtet sich danach, wie sich Funkwellen vor Ort ausbreiten sollen.
Was macht Metakristalle besonders?
Metakristalle gehören zur Gruppe der sogenannten Metamaterialien. Dabei entstehen die besonderen Eigenschaften nicht durch das Material selbst, sondern durch dessen exakt berechnete Struktur.
Im Gegensatz zu vielen bisherigen Metasurfaces, die nur aus einer dünnen Schicht bestehen, besitzen die finnischen Entwicklungen ein dreidimensionales Innenleben. Dadurch können sie mehrere elektromagnetische Funktionen gleichzeitig übernehmen.
Nach Angaben der Forschenden lassen sich damit:
- mehrere eingehende Signale parallel verarbeiten,
- verschiedene Frequenzbereiche gleichzeitig beeinflussen,
- Funkwellen reflektieren oder gezielt hindurchleiten,
- störende Signale teilweise absorbieren.
Asgari beschreibt den Vorteil so: „Im Gegensatz zu zuvor vorgeschlagenen einlagigen intelligenten Oberflächen können diese volumetrischen Metakristalle so gestaltet werden, dass sie mehrere eingehende Signale oder Frequenzbänder unabhängig voneinander steuern.“
Gerade für künftige 5G- und 6G-Anwendungen könnte das interessant werden. Denn dort werden neben den heute üblichen Mobilfunkfrequenzen zunehmend auch Millimeterwellen diskutiert, die besonders hohe Datenraten ermöglichen. Ihr Nachteil: Schon Wände, Möbel oder größere Menschenansammlungen können die Ausbreitung deutlich beeinträchtigen.
3D-Druck macht die Technik vergleichsweise günstig
Viele heute erforschte intelligente Funkoberflächen arbeiten mit elektronisch steuerbaren Elementen. Sie benötigen Sensoren, Schaltkreise und eine permanente Energieversorgung. Das erhöht die Kosten und macht den Einsatz in großem Maßstab schwierig.
Die Metakristalle verfolgen einen anderen Ansatz. Sie bestehen aus einer einzigen, im 3D-Druck hergestellten Kunststoffstruktur. Laut dem Forschungsteam liegen die Materialkosten bei wenigen Dutzend Euro pro Paneel.
Ein weiterer Vorteil: Die Elemente lassen sich individuell für einen bestimmten Einsatzort fertigen. Statt einer universellen Lösung entsteht ein Bauteil, das auf die jeweilige Umgebung abgestimmt ist.
Fabriken und Lagerhallen als erste Einsatzorte
Besonders interessant erscheint die Technik dort, wo sich die Umgebung kaum verändert. Fabrikhallen, Lagerhäuser oder lange Gebäudekorridore gelten deshalb als naheliegende Anwendungsfelder.
Asgari sagt dazu: „Für die Industrie sind statische oder sich langsam verändernde Umgebungen wie Fabriken, 5G/6G-Netzwerke in Innenräumen, Lagerhäuser und lange Korridore die attraktivsten Anwendungsfälle.“
Ein einmal optimiertes Paneel könnte dort über lange Zeit arbeiten, ohne dass eine aufwendige Steuerung oder regelmäßige Wartung erforderlich wäre.
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