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Lichtschwertähnliche Plasmaantenne sendet Funkwellen durch ionisierte Luft
Licht statt Metall: Forschern ist es gelungen, einen per Laser erzeugten Plasmafaden in Luft als Funkantenne arbeiten zu lassen. Im Versuch sendete das rund 20 Zentimeter lange Filament ein 30-Megahertz-Signal und erhöhte den Empfang gegenüber der bloßen Einspeisung auf das 2,5-Fache. Noch ist die Technik ein Laborbeweis.
Raleigh (U.S.A.). Antennen sind gewöhnlich feste leitfähige Strukturen, deren Abmessungen zur gewünschten Funkfrequenz passen müssen. Das kann Anwendungen erschweren, bei denen wenig Platz verfügbar ist oder sich die Antennengeometrie rasch verändern soll. Ein elektrisch leitfähiger Plasmafaden könnte dagegen nur dann entstehen, wenn er gebraucht wird.
Solche Plasmafilamente lassen sich mit sehr kurzen, intensiven Laserpulsen in Luft erzeugen. Das Licht ionisiert Luftmoleküle und bildet eine schmale Säule aus freien Ladungsträgern. Der neue Versuch prüft nun, ob sich ein solches Filament tatsächlich wie eine Funkantenne speisen und zum Senden nutzen lässt.
Forscher der North Carolina State University (NC State) um Prya Darshni haben diese Idee nun mit einem rund 20 Zentimeter langen und etwa 0,1 Millimeter dicken Laserplasma getestet. Das Team erzeugte das Filament mit 100 Femtosekunden kurzen Laserpulsen und speiste ein Funksignal von 30 Megahertz ein.
Direkter Metallkontakt hätte den empfindlichen Plasmafaden gestört. Deshalb entwickelten die Forscher eine kontaktlose kapazitive Einspeisung: Ein kleiner leitfähiger Ring umgibt den Laserweg und koppelt das Funksignal über sein elektromagnetisches Feld in das Plasma ein. Der Plasmafaden soll die eingekoppelte Energie anschließend als elektromagnetische Welle abstrahlen.
„Das ist ein spannendes neues Konzept, das eine individuell anpassbare Antenne ohne komplexe mechanische Ausklappmechanismen ermöglicht“, sagt Paul Franzon von der North Carolina State University (NC State).
Im Experiment stand eine passende Empfangsantenne nur rund fünf Zentimeter vom Plasmafilament entfernt und damit in dessen Nahfeld. Zunächst blockierte das Team den Laser und maß nur das Signal der kapazitiven Einspeisung. Anschließend ließ es den Plasmafaden entstehen und wiederholte die Messung mit demselben 30-Megahertz-Signal.
Mit Plasma erreichte das empfangene Signal einen Spitzenwert von ungefähr 0,5 Millivolt. Gegenüber der Messung ohne Filament stieg es im Mittel um rund 0,3 Millivolt. Die Signalstärke lag damit etwa beim 2,5-Fachen des Vergleichswerts, also rund 150 Prozent höher. Für die Autoren zeigt dieser Unterschied, dass das Plasma selbst elektromagnetische Energie abstrahlte.
„Das ist der erste Schritt, aber ein großer Schritt, denn es ist das erste Mal, dass jemand gezeigt hat, dass Plasmafilament-Antennen funktionieren können. Jetzt, da wir gezeigt haben, dass es möglich ist, können wir damit beginnen, ihre Leistung zu verbessern“, sagt Prya Darshni.
Der entscheidende Reiz der Technik liegt in ihrer möglichen Veränderbarkeit. Länge und Position des Plasmafilaments lassen sich über die Laserführung beeinflussen. Eine Antenne könnte deshalb theoretisch auf unterschiedliche Frequenzen angepasst oder räumlich ausgerichtet werden, ohne dass dafür eine Metallstruktur mechanisch ausgefahren oder umgebaut werden muss.