Digitale Kommunikation hinterlässt normalerweise Spuren. Funkwellen lassen sich messen, Laserstrahlen erkennen und Glasfasernetze physisch überwachen. Selbst wenn Inhalte stark verschlüsselt sind, bleibt sichtbar, dass Daten übertragen werden.
Forschende aus Australien verfolgen deshalb einen anderen Ansatz. Sie verstecken Informationen direkt in der natürlichen Wärmestrahlung von Objekten. Für Außenstehende sieht es so aus, als würde überhaupt kein Signal übertragen.
Ein Team der UNSW Sydney und der Monash University hat dafür eine Methode entwickelt, die Daten im Infrarotbereich überträgt. Die Signale verschmelzen mit der gewöhnlichen Wärmestrahlung der Umgebung. Nur Empfänger mit speziell abgestimmter Technik können sie erkennen. Die Forschenden sprechen von „thermoradiativer signaturloser Kommunikation“ – einer Datenübertragung ohne erkennbare Signatur.
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Wenn Signale im Hintergrund verschwinden
Die Methode nutzt ein physikalisches Phänomen namens negative Lumineszenz. Dabei sendet ein Material weniger Strahlung aus als ein Körper gleicher Temperatur im thermischen Gleichgewicht.
Dr. Michael Nielsen von der UNSW School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering erklärt das Prinzip so: „Was die negative Lumineszenz so interessant macht, ist, dass sie das Leuchten dunkler statt heller erscheinen lässt. Zum Vergleich: Es wäre wie eine Taschenlampe, die irgendwie dunkler als „aus“ sein kann.“
Im Alltag kennen Sie nur den umgekehrten Effekt: Eine Lichtquelle wird heller oder dunkler. Negative Lumineszenz funktioniert anders. Ein Halbleiter kann seine Infrarotstrahlung so modulieren, dass sie unter den normalen Strahlungswert der Umgebung fällt. Genau diese minimale Veränderung dient als Datensignal.
Kommunikation ohne sichtbares Signal
Herkömmliche Kommunikationssysteme arbeiten meist mit klar erkennbaren Signalen. Informationen werden übertragen, indem ein Sender ein Signal ein- oder ausschaltet. Das kann ein Lichtblitz sein, ein Funksignal oder eine Modulation im Glasfaserkabel.
Auch wenn der Inhalt verschlüsselt ist, lässt sich meist erkennen, dass eine Kommunikation stattfindet. Die neue Technik verfolgt einen anderen Ansatz. Dr. Nielsen sagt:
„Daten sind heutzutage allgegenwärtig, aber wir entwickeln nicht unbedingt neue Wege, um diese Daten zu schützen.“ Und weiter: „Wenn jemand jedoch gar nicht weiß, dass Daten übertragen werden, ist es für ihn wirklich sehr schwer, sich in diese einzuhacken.“
Die Methode versucht also nicht nur, Inhalte zu verschlüsseln. Sie verschleiert bereits die Existenz der Kommunikation.
Thermoradiative Dioden als Schlüsseltechnologie
Technisch basiert das System auf thermoradiativen Dioden. Diese Halbleiterbauelemente funktionieren im Prinzip als Umkehrung einer Solarzelle. Während eine Solarzelle Licht in elektrische Energie umwandelt, geben thermoradiative Dioden Energie als Infrarotstrahlung ab. Forschende können diese Strahlung gezielt modulieren.
Die Diode schaltet dabei sehr schnell zwischen leicht unterschiedlichen Strahlungsniveaus um. Daraus entsteht ein Muster, das als Datensignal dient. Für Außenstehende wirkt diese Modulation wie normale Wärmestrahlung der Umgebung. Ein speziell abgestimmter Empfänger kann das Signal jedoch auslesen. In ersten Laborexperimenten erreichte das Team eine Übertragungsrate von etwa 100 Kilobyte pro Sekunde.
Ursprung in der Forschung zu „Nacht-Solarenergie“
Die Idee entstand ursprünglich in einem ganz anderen Forschungsfeld. Die Arbeitsgruppe beschäftigte sich mit der Frage, ob sich auch nachts Energie aus der Umgebung gewinnen lässt. Dabei nutzen Forschende die Tatsache, dass die Erde kontinuierlich Wärme in den kalten Weltraum abstrahlt. Thermoradiative Dioden können diese Strahlung theoretisch in elektrische Energie umwandeln.
Professor Ned Ekins-Daukes von der UNSW sagt: „Im Rahmen unserer Arbeit am Nacht-Solar-Projekt haben wir festgestellt, dass die negative Lumineszenzeigenschaft entscheidend für die Leistungsfähigkeit unserer thermoradiativen Dioden ist.“ Die gleiche physikalische Eigenschaft lässt sich nun nutzen, um Informationssignale zu erzeugen.
Neue Materialien könnten Datenraten erhöhen
Für den aktuellen Prototyp verwendeten die Forschenden den Halbleiter Quecksilber-Cadmium-Tellurid, ein Material, das häufig in Infrarotsensoren eingesetzt wird. Parallel untersucht das Team weniger toxische Halbleiter auf Antimonbasis. Auch andere Materialien könnten eine Rolle spielen. Forschende der Monash University halten etwa Graphen für vielversprechend.
Das extrem leitfähige Kohlenstoffmaterial könnte deutlich höhere Datenraten ermöglichen. Professor Ekins-Daukes sagt: „Ein kommerzielles Produkt mit Megabit-Datenraten ist innerhalb weniger Jahre nach der Entwicklung vorstellbar.“ Die heute demonstrierten Übertragungsraten liegen noch deutlich darunter. Das System befindet sich daher weiterhin im experimentellen Stadium.
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