Eine klassische Metallantenne hat eine festgelegte Größe und Form. Diese Abmessungen beeinflussen direkt die Frequenzen, die sie senden oder empfangen kann. Eine Änderung während des Betriebs erfordert daher normalerweise mechanische Bauteile oder mehrere Antennen. Forschende haben eine andere Lösung getestet: Sie ersetzten das Metall durch Luft, die vorübergehend in Plasma umgewandelt wird.
Der Prototyp einer Plasmafadenantenne, die von einem Laser erzeugt wird. Der Lichtstrahl durchquert einen Metallring, der das Funksignal ohne direkten Kontakt einspeist.
Quelle: Prya Darshni / NC State University.
Das Prinzip beginnt mit einem ausreichend intensiven Laserpuls. Auf seinem Weg schlägt er Elektronen aus den Luftmolekülen heraus und erzeugt einen Plasmafaden. Dieser sehr dünne Kanal enthält nun geladene Teilchen, die mit einem Funksignal wechselwirken können. Optisch sieht die Vorrichtung wie ein schmaler Lichtstrahl aus.
Es blieb jedoch ein Problem: Wie lässt sich ein elektrisches Signal in eine Antenne einspeisen, die nicht fest ist? Ein direkter Metallkontakt würde den Faden stören. Deshalb platzierten die Forschenden einen Metallring um den Weg des Lasers. Dieser Ring erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das die Funkenergie auf das Plasma überträgt, ohne es zu berühren.
Während des Experiments sendete der Faden ein Signal mit 30 MHz aus. Ein in etwa 5 cm Entfernung platzierter Empfänger maß ein 2,5-mal stärkeres Signal, wenn das Plasma vorhanden war, als bei der Vorrichtung mit blockiertem Laser. Dieser Unterschied bestätigt, dass der Faden selbst tatsächlich Radiowellen abstrahlte.
Der entscheidende Vorteil liegt in der Möglichkeit, die Antenne zu verändern, ohne eine Metallstruktur zu bewegen. Durch eine Änderung der Laserparameter können die Forschenden die Länge des Fadens beeinflussen. Die Länge einer Antenne bestimmt teilweise die Betriebsfrequenzen. Durch das Ausrichten des Strahls ließe sich außerdem die Richtung der Antenne schnell ändern.
Eine solche Eigenschaft könnte nützlich sein, wenn eine Antenne mehrere Frequenzen abtasten oder ihre Ausrichtung ändern muss. Die Forschenden nennen insbesondere Flugzeuge und bestimmte Radarsysteme. Eine nach Bedarf erzeugte Antenne könnte den Einsatz langer mechanischer Strukturen überflüssig machen.
Die Vorrichtung bleibt jedoch eine experimentelle Demonstration. Die Forschenden haben die Aussendung bei 30 MHz gezeigt, aber noch nicht den Empfang eines Signals durch diese Antenne. Sie gehen davon aus, dass dasselbe Prinzip auch in die andere Richtung funktionieren sollte, was experimentell überprüft werden muss.
Das Team arbeitet nun daran, die Leistung zu verbessern und weitere Frequenzen zu untersuchen. Es erwägt auch den Einsatz in einer niedrigen Erdumlaufbahn, wo die Restatmosphäre genügend Materie zur Plasmaerzeugung liefern könnte. Reichweite, Energieeffizienz und Verhalten des Systems unter diesen Bedingungen müssen noch gemessen werden.