Keller, Tunnel, große Gebäude – ein schwaches WLAN- oder Mobilfunksignal an diesen schwer erreichbaren Orten ist frustrierend. Die übliche Lösung besteht darin, weitere elektronische Geräte wie Router, Repeater und Basisstationen hinzuzufügen. Doch auf dem Weg zum 6G-Mobilfunknetz ist eine derart komplexe Infrastruktur oft nicht nachhaltig und unerschwinglich teuer. Die höherfrequenten Kanäle der 6G-Kommunikation sollen eine weitaus größere Datenbandbreite bieten als das aktuelle 5G, doch diese Kanäle werden leichter durch Wände, Menschen und andere Hindernisse blockiert.
Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher der Aalto-Universität eine neue Lösung in Form von Metakristallen entwickelt: passive, 3D-gedruckte intelligente Paneele, die Funksignale ohne Elektronik, Stromversorgung oder aktive Abstimmung lenken können.
„Wenn ein Raum zu dunkel ist, kann man mehr Lampen aufstellen – oder einfache Spiegel nutzen, um das bereits vorhandene Licht zu lenken. Genau das tun diese Metakristalle, nur mit Radiowellen“, erklärt der Doktorand Mahdi Asgari. „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 – eine zentrale Voraussetzung für realistische drahtlose Kommunikation.“
Die Paneele könnten an Wänden, Decken, Möbeln oder anderen Oberflächen angebracht werden, um Signale um Ecken herum, in schattige Bereiche oder auf bestimmte Nutzer oder Geräte zu lenken. Im Gegensatz zu vielen bestehenden intelligenten Oberflächen, die oft nur eine Aufgabe für eine Signalrichtung erfüllen, können diese Paneele mehrere eingehende Wellen gleichzeitig verarbeiten, gleichzeitig über verschiedene Frequenzbänder arbeiten, im Reflexions- oder Transmissionsmodus betrieben werden und unerwünschte Signale sogar vollständig absorbieren.
3D-gedruckte, maßgeschneiderte Elemente
Herkömmliche rekonfigurierbare intelligente Oberflächen erfordern viele abstimmbare Elemente und komplizierte Steuerkreise, was sie teuer und für einen breiten Einsatz schwierig macht. Die Metakristall-Paneele können jedoch mittels 3D-Druck hergestellt werden, wodurch die geschätzten Materialkosten bei einigen Dutzend Euro pro Stück liegen. Dies ermöglicht auch die Herstellung maßgeschneiderter Paneele für bestimmte Umgebungen, anstatt auf ein universelles Gerät zurückgreifen zu müssen.
„Für die Industrie sind statische oder sich langsam verändernde Umgebungen wie Fabriken, 5G/6G-Netzwerke in Innenräumen, Lagerhallen und lange Korridore die attraktivsten Anwendungsfälle“, sagt Asgari. „An solchen Orten könnte ein passives Panel, das für ein bekanntes Layout ausgelegt ist, wesentlich kostengünstiger und einfacher sein als eine aktiv gesteuerte Oberfläche, die zudem eine kontinuierliche Wartung erfordert.“
Asgari erklärt, dass komplexe elektromagnetische Funktionen nun als kostengünstige, einteilige Kunststoffkonstruktion realisiert werden können, die direkt an der Wand angebracht werden kann. Diese Paneele können die drahtlosen Verbindungen im Hintergrund unauffällig verbessern. Nach der Installation übernimmt die Geometrie die gesamte Arbeit.
Metakristalle könnten Teil der alltäglichen Architektur werden
Die Forscher suchen nun nach Wegen, die Entdeckung zu kommerzialisieren, und begrüßen die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, die an programmierbaren Metasoberflächen, intelligenter drahtloser Infrastruktur und kostengünstigen passiven Signalsteuerungstechnologien interessiert sind.
„Die Hoffnung ist, dass wir in Zukunft sehen können, wie diese skalierbaren, intelligenten drahtlosen Umgebungen in Innenräumen und im städtischen Außenbereich, an Gebäudewänden oder anderen architektonischen Oberflächen praktisch angewendet werden“, sagt Asgari.
Der nächste Schritt bestehe darin, von statischen zu rekonfigurierbaren Paneelen überzugehen, die sich an veränderte drahtlose Umgebungen anpassen können, sagt er. Die heutigen rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen sind oft zu kostspielig und komplex für einen breiten industriellen Einsatz, daher sucht das Team nach einfacheren Wegen, abstimmbare Paneele herzustellen, die gleichzeitig erschwinglich und praktisch bleiben.
