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Jun 23, 2023

Forscher entwickeln intelligente Glasfenster, die Sonnenlicht für die drahtlose Datenübertragung polarisieren können

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Basem Shihada, außerordentlicher Professor für Informatik an der King Abdullah University of Sciences and Technology (KAUST), hatte sich mit der Datenkodierung in einer künstlichen Lichtquelle beschäftigt, als er sich fragte, ob das Gleiche auch mit Sonnenlicht möglich sei.

„Ich hatte einfach gehofft, mit einer Handykamera ein Video des kodierten Lichtstroms aufzunehmen und zu versuchen, das Video zu entschlüsseln, um die Daten abzurufen. Da dachte ich, warum nicht dasselbe mit dem Sonnenlicht machen?“ sagte Shihada in einer Erklärung. „Das wäre viel einfacher und auch über die Handykamera machbar. Also haben wir begonnen, Sonnenlicht als Informationsträger zu erforschen.“

Seiner Studie zufolge bleiben „erhebliche Mengen an Umgebungslicht ungenutzt und werden hauptsächlich zu Beleuchtungszwecken genutzt. Dieses Licht kann moduliert werden, um Daten zu übertragen, was eine ergänzende Lösung für die drahtlose Kommunikation darstellt.“

Sonnenschein, der durch ein Fenster fällt, könnte leicht für die drahtlose Datenübertragung an elektronische Geräte genutzt werden.

Shihada und sein Team aus KAUST-Forschern machten sich sofort an die Arbeit und entwarfen ein intelligentes Glassystem (schaltbares Glas), das den Sonnenlichtdurchtritt regulieren kann. Das System würde Daten in das Licht kodieren, die von Geräten im Raum erkannt und dekodiert werden können.

Das System ist nicht nur innovativ, sondern bietet im Vergleich zu herkömmlicher WLAN- oder Mobilfunk-Datenübertragung auch eine umweltfreundlichere Kommunikationsart.

Die Forschung wurde im IEEE Photonics Journal veröffentlicht.

IEEE Photonics Journal (2022)

Das entwickelte System besteht aus zwei Teilen – einem Lichtmodulator, der in eine Glasoberfläche eingebettet werden kann, und einem Empfänger im Raum.

„Der Modulator ist eine Reihe unserer vorgeschlagenen intelligenten Glaselemente, die als Dual-Cell Liquid Crystal Shutters (DLSs) bekannt sind“, sagte Osama Amin, ein Forschungswissenschaftler in Shihadas Labors. Das Liquid-Shutter-Array würde zum Betrieb nur ein Watt Leistung benötigen. Seine Funktion besteht darin, Signale beim Durchgang des Lichts zu kodieren und so wie ein Filter zu wirken. Die Stromversorgung würde über ein kleines Solarpanel erfolgen.

Sahar Ammar, eine Studentin in Shihadas Team, erklärte, dass Daten normalerweise durch Variation der Lichtintensität kodiert werden. „Aber wenn die Frequenz dieser Intensitätsänderungen zu niedrig ist, kann das menschliche Auge sie erkennen und einen unangenehmen Flimmereffekt verursachen“, sagte sie.

Daher ist das DLS so konzipiert, dass es die Polarisation manipulieren kann. „Eine Änderung der Lichtpolarisation ist für das Auge nicht wahrnehmbar, wodurch das Flimmerproblem beseitigt wird“, sagte Ammar. „Das Kommunikationssystem funktioniert, indem es die Polarisation des einfallenden Sonnenlichts auf der Modulatorseite ändert. Der Empfänger kann diese Änderung erkennen, um die übertragenen Daten zu dekodieren.“

Nach Angaben des Teams kann das entworfene Setup Daten mit 16 Kilobit pro Sekunde übertragen. „Wir bestellen jetzt die notwendige Hardware für eine Testbed-Prototypenimplementierung. Wir möchten die Datenraten von Kilobit auf Mega- und Gigabit pro Sekunde erhöhen“, fügte Shihada hinzu.

Studienzusammenfassung:

Solarenergie wird häufig zur Stromerzeugung, für Heizsysteme und zur Tagesbeleuchtung von Innenräumen genutzt. Tatsächlich werden große Mengen der Sonnenenergie immer noch nicht ausreichend genutzt. In dieser Arbeit zielen wir darauf ab, Sonnenlichtenergie zur Datenübertragung als umweltfreundliche Option für die drahtlose Kommunikation zu nutzen. Da es von einer unkontrollierbaren Quelle emittiert wird, ist die Zähmung des Sonnenlichts eine anspruchsvolle Aufgabe, die geeignete Technologien zur Manipulation des einfallenden Lichts erfordert. Bei Flüssigkristallgeräten handelt es sich um schaltbare Glastechnologien, die für eine solche Anwendung ausreichende Reaktionszeit und Kontrasteigenschaften aufweisen. In diesem Zusammenhang entwerfen wir einen neuartigen Doppelzellen-Flüssigkristallverschluss (DLS), indem wir zwei Flüssigkristallzellen stapeln, die auf entgegengesetzte Weise funktionieren, und wir bauen unseren Sonnenlichtmodulator mit einer Reihe von DLSs auf. Anschließend nutzen wir Zeitmultiplex und polarisationsbasierte Modulation, um die Datenrate zu steigern und den Flimmereffekt zu beseitigen. Darüber hinaus erstellen wir eine mathematische Modellierung des Systems und untersuchen seine Leistung in Bezug auf Kommunikation und Energieverbrauch. Abschließend stellen wir einige numerische Ergebnisse vor, um den Einfluss mehrerer Parameter auf die Systemleistung zu untersuchen und sie mit dem Stand der Technik zu vergleichen. Dabei zeigte sich, dass unser System höhere Datenraten und erweiterte Verbindungsreichweiten bietet.