In den Vorstellung der Forscher an der finnischen Universität Oulu ist Licht weit mehr als nur Beleuchtung. Es bietet unter anderem eine neue Möglichkeit, Daten sicher und effizient zu übertragen, und stellt gleichzeitig eine nachhaltige Energiequelle für intelligente Geräte dar.
Wir leben in städtischen Umgebungen, in denen Beleuchtung allgegenwärtig ist. Wir beleuchten unsere Häuser, Büros, Krankenhäuser und Fabriken, um den Alltag reibungslos ablaufen zu lassen. Doch was wäre, wenn all dieses sichtbare Licht nicht nur zur Beleuchtung von Räumen, sondern auch zum Datentransfer und als Energiequelle genutzt werden könnte?
Bis 2035 sollen weisse LEDs weltweit etwa 95 Prozent der Innenbeleuchtung bereitstellen. Da diese LEDs einfach und schnell gesteuert werden können (im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen), erforschen Wissenschaftler Möglichkeiten, der Beleuchtungsinfrastruktur zusätzliche Funktionen hinzuzufügen. Die Potenziale, die Licht bietet, werden an der Universität Oulu im Rahmen des Projekts SUPERIOT erforscht, das von Professor Marcos Katz, einem Experten für 6G-Forschung, geleitet wird.
Licht bietet Vorteile, die Funkkommunikation nicht bieten kann: Es ist schnell, sicher und stört keine Geräte, die auf Funksignale angewiesen sind. Zu seinen wichtigsten Vorteilen gehört die Energieeffizienz, die dadurch erreicht wird, dass die für die Beleuchtung verbrauchte Energie gleichzeitig zur Übertragung von Informationen genutzt wird. «Die Entwicklung lichtbasierter Kommunikation ist in der Nachhaltigkeit verwurzelt. Wir untersuchen, wie bestehende Infrastrukturen wie Beleuchtung auf neue Weise genutzt werden können», sagt Professor Katz.
Flackerndes LED-Licht verschlüsselt Nachricht wie Morsezeichen
Heutige Mobilfunknetze basieren auf Funktechnologie. Bei der sichtbaren Lichtkommunikation (VLC) werden Informationen statt mit Radiowellen über sichtbares Licht übertragen. Zuhause könnte die datenbasierte Lichtübertragung drahtlose WLAN-Netzwerke durch Li-Fi («Light Fidelity») ersetzen. Der Sender könnte eine gewöhnliche LED-Lampe sein – etwa eine Schreibtischlampe, die gleichzeitig als WLAN-Router fungiert und Daten an ein Empfangsgerät sendet.
Professor Katz vergleicht dies mit dem Morsecode: «Die LED-Lampe wird so moduliert, dass sie flackert, und der Empfänger interpretiert dieses Flackern. Wenn das Licht an ist, liest der Empfänger eine Eins; wenn es aus ist, eine Null.» Ein Computer oder Smartphone decodiert die Lichtsignale, während das Flackern für das menschliche Auge viel zu schnell ist. Der Remote-Arbeiter sieht nur ein gleichmässiges Leuchten der Lampe, während das Webinar auf dem Laptop startet.
Die Datenübertragung kann auch in umgekehrter Richtung über unsichtbares Licht – etwa Infrarot – erfolgen und alltägliche Aufgaben wie das Versenden einer E-Mail ermöglichen.
«Es wäre ablenkend, wenn ein Smartphone oder Computer sichtbares weisses Licht abstrahlen würde. Infrarotlicht ermöglicht eine diskrete Datenübertragung“, erklärt Katz.
Licht überträgt Nachrichten in sensiblen Umgebungen
Katz’ Team entwickelt lichtbasierte Kommunikation für Umgebungen, in denen Funksignale empfindliche Geräte stören könnten – etwa Krankenhäuser, Fabriken oder Flugzeuge. In Krankenhäusern ist der Handygebrauch in manchen Bereichen eingeschränkt, da Radiowellen medizinische Geräte stören können. Aus demselben Grund müssen Handys in Flugzeugen auf Flugmodus gestellt werden. «Bei Licht gibt es dieses Problem nicht. Unser Ziel ist es, dass Geräte in Zukunft flexibel zwischen Licht und Funk wechseln können – je nach Umgebung», sagt Katz.
Sicherheit ist ein weiterer grosser Vorteil: Ein lichtbasierter Datenstrom kann nur von jemandem empfangen werden, der physisch im selben Raum wie die Lichtquelle ist.
«Wenn die Lichtquelle in einem geschlossenen Raum ist, kann niemand von aussen das Signal abfangen», sagt Katz.
Katz betont, dass Licht die Funktechnologie nicht ersetzen, sondern ergänzen wird. Es hat klare Vorteile, aber auch Grenzen. Schliesslich gibt es im Wald keine Strassenlaternen – ein Foto von einer Wanderung wird also weiterhin über Radiowellen geteilt. Effiziente Lichtkommunikation erfordert zudem eine klare Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger. «Wenn zufällig ein Finger den Lichtsensor des Smartphones verdeckt, schwächt sich die Verbindung ab oder bricht ganz ab – das Gerät wechselt dann automatisch auf Funk», erklärt Katz.
Energie aus Licht gewinnen, um natürliche Ressourcen zu schonen
Über die Datenübertragung hinaus spielt Licht eine weitere vielversprechende Rolle, die der SUPERIOT-Projektvision eines nachhaltigeren Internets der Dinge (IoT) entspricht. In zukünftigen Smart Cities werden immer mehr Geräte Daten aus ihrer Umgebung sammeln und autonom übertragen.
Katz sagt, das Ziel sei, dass diese Geräte sich aus umgebendem LED-Licht mit winzigen Solarzellen statt mit Batterien versorgen. «Das könnte eine riesige Zahl von Einwegbatterien einsparen. IoT-Geräte, die die Umwelt überwachen, verbrauchen so wenig Energie, dass sie vollständig von Umgebungslicht betrieben werden können», sagt Katz.
Nachhaltigkeit wird auch durch gedruckte Elektronik verfolgt. Viele moderne Geräte – von Smartphones bis zu Sensoren – hängen von Komponenten ab, die aus seltenen Materialien bestehen. Katz’ Team sucht nach Wegen, diese mit deutlich weniger Material zu drucken. «Unsere Vision ist es, komplette IoT-Geräte zu drucken. Das fertige Produkt wäre ein Aufkleber nicht grösser als eine Bankkarte, der nahtlos im Internet der Dinge seine Funktion erfüllt.» Ein solcher gedruckter Tag könnte beispielsweise Temperatur oder Luftfeuchtigkeit im Büro überwachen und die Lüftung automatisch steuern. Oder, in einem alltäglicheren Szenario: Eine Milchtüte könnte ein gedrucktes Etikett tragen, das ihren Preis in Echtzeit aktualisiert und später zu Hause daran erinnert, eine zurückgerufene Charge zurückzugeben.
Das Projektteam hat auch gedruckte IoT-Geräte für Krankenhausumgebungen entwickelt. Sie können verwendet werden, um den Standort von Geräten und Personal zu verfolgen sowie den Gesundheitszustand von Patienten in Echtzeit zu überwachen. «Ein Sensor an einem Patienten könnte sofort eine Warnung an Pflegekräfte senden, wenn der Patient stürzt oder seine Temperatur zu stark ansteigt», sagt Katz. Diese gedruckten IoT-Geräte verkörpern das volle Potenzial von Licht. «Sie könnten sowohl Funk als auch Licht zur Datenübertragung nutzen und dabei auch in funkempfindlichen Umgebungen sicher bleiben. Gleichzeitig würden sie ihre Energie aus dem umgebenden Licht gewinnen.»
Das SUPERIOT-Projekt, Teil des 6G-Flagship-Forschungsprogramms der Universität Oulu, wurde kürzlich zu den zehn wichtigsten 6G-Innovationen der Europäischen Union gewählt.
