Schon jetzt wird es eng im Äther: WiFi, ZigBee, Mobilfunk, RFID und wie die verschiedenen Wireless-Technologien alle heißen – sie nutzen gemeinsam das recht enge Band der Funkfrequenzen. Für den rasant wachsenden Strom an Daten stehen damit immer weniger freie Kanäle zur Verfügung – und die Gefahr steigt, dass sich die verschiedenen Funktechnologien gegenseitig stören.
Harald Haas hatte da vor knapp 20 Jahren im wahrsten Sinne eine Erleuchtung: Warum nicht das Spektrum des sichtbaren Lichts nutzen, um Daten zu übertragen? Zumal ja in jedem Haus, in jedem Büro und in jeder Fabrikhalle Lampen bereits installiert sind. Heute hat Haas, inzwischen Professor an der Universität Edinburgh, daraus eine marktfähige Technologie namens LiFi entwickelt.
Für den studierten Elektrotechniker gehört Kreativität essentiell zum Ingenieursein dazu. Ingenieur werde man, weil man etwas bauen möchte, das die Welt verbessert. Da ist es nur konsequent, dass er mit pureLiFi eine eigene Firma gründete, als seine Ideen reif für die Vermarktung waren.
Was ist LiFi?
Schottland ist eher für seine wilde Landschaft und seinen Whisky bekannt als für Hightechprodukte. Wie kam es, dass ausgerechnet hier mit LiFi eine Technologie entwickelt wurde, die sich jetzt aufmacht, die Wireless-Welt aufzumischen?
Harald Haas: Tatsächlich sind die Grundlagen in Deutschland gelegt worden. Als ich für Siemens Mobile Communications Network in München an 4G gearbeitet habe, ist mir ziemlich schnell klar geworden, dass die Bandbreite der Funkfrequenzen in Zukunft nicht ausreichen wird. 2003 wechselte ich dann an die Jacobs University in Bremen und fing an, mich näher mit der Lichtkommunikation zu beschäftigen. Dabei erzielten wir einen Erfolg nach dem anderen, es wurde immer spannender. In Edinburgh konnte ich dann mit Hilfe der hiesigen Wirtschaftsförderung weiter daran arbeiten.
Warum sind Sie nach Schottland gegangen?
H. H.: Ich finde, Schottland bietet eine wunderbare Wissenschafts-Landschaft, die eine gute Balance zwischen Lehre und Freiheit für die Forschung hält. Die Universität von Edinburgh ist hoch angesehen und liegt im weltweiten Ranking der Universitäten sehr weit oben. Wir haben gute Studenten, ein gutes Umfeld, eine gute Forschungsförderung und dazu Ideen!
Kann sich der Rest von Europa etwas in Sachen Forschungsarbeit von Schottland abschauen?
H. H.: Ich glaube ja. Ideal wäre es, wenn man die deutsche Präzision und die Tendenz, Dinge bis ins kleinste Detail zu durchdenken, mit der Kreativität und den Möglichkeiten, die man hier hat, verbindet. Deutschland ist gut im Detail, und weltmeisterlich im Ausarbeiten. Aber oft kommen die ersten Ideen von woanders. Die Kreativität und der Mut, neue Wege zu gehen, ist, glaube ich, in den angelsächsischen Ländern ausgeprägter.
Ideal wäre es also, Erfahrungen in beiden Ländern zu sammeln.
Das United Kingdom hat nicht verstanden, dass genau das Gegenteil vom Brexit etwas Wertvolles schaffen würde. Mein Rat an die Politiker wäre: Alle Europäer sollten einmal in ihrem Leben für mindestens zwei Jahre in einem europäischen Ausland verbracht haben. Es bringt sehr viel, seinen Horizont zu erweitern und sich mal andere Dinge anzuschauen. Man sieht, was gut zuhause ist, aber auch was gut woanders ist. Dann kann man diese Dinge kombinieren und sich so stetig verbessern. Das ist allemal besser, als sich abzuschotten.
Wie kamen Sie überhaupt auf die Idee, Daten mit Licht zu übertragen?
H. H.: Licht ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, aber viel breitbandiger als Funkwellen: Im Funkbereich sind es etwa 300 GHz, im Lichtbereich 200 THz. Dieses Spektrum wollte ich für die Datenübertragung erschließen. Mein Ziel war es, die Modulationstechniken aus der Funktechnik auf inkohärentes Licht anzuwenden. Mittlerweile sind wir damit bei einer Übertragungsleistung von über 12 GBit/s – eine Datenrate, die fast zweimal so hoch ist wie das schnellste WiFi. Dazu nutzen wir vier normale LED, wie sie auch EBV verkauft, für insgesamt weniger als 50 Cent.
Wie weit ist die Technik heute, kann man schon von Marktreife sprechen?
H. H.: Oh ja! LiFi ist seit 2012 auf dem Markt, es existiert bereits die vierte Produktgeneration.
Access-Points haben wir inzwischen mit Partnern wie zum Beispiel Lucibel in Frankreich realisiert. Unser LiFi-Dongle wurde auch schon in die Hülle eines Smartphones integriert, damit konnten wir auf dem Mobile-World-Congress 2018 in Barcelona einen Skype-Call vorführen. Durch das automatische Hand-over des Smartphones von einer LiFi-Lampe zur nächsten konnte man durch den Raum gehen und ohne Unterbrechung weitertelefonieren. Die Verbindung ist bidirektional, es gibt einen Infrarot-Uplink und wir sind auf dem Weg, das System weiter zu miniaturisieren. So können wir LiFi in naher Zukunft auch direkt in das Smartphone integrieren.
Können Sie sich den Einsatz in einem Wide Area Network vorstellen?
H. H.: Ein derartiges System, wir nennen es Backhaul, haben wir bereits entwickelt. Die Technik dazu basiert auf Infrarot-Laser-Systemen, die Point-to-Point zwei Orte miteinander verbinden. Das kann über nur einen Meter oder auch in den Hundertmeterbereich gehen.
Aber wir konnten in den letzten drei Jahren einen weiteren Durchbruch erzielen: Wir haben Solarzellen als LiFi-Empfänger genutzt. Wenn der Photonenfluss zeitlich variiert – wie bei LiFi – ändert sich die von der Solarzelle erzeugte Energie. In diesen Intensitätsschwankungen lassen sich Informationen codieren. So kann eine Solarzelle gleichzeitig als Energie-Harvester und als LiFi-Empfänger dienen. Mit der neuesten Solarzellentechnologie eines deutschen Fraunhofer-Instituts konnten wir bereits 500 Mbit/s pro Zelle übertragen.
Ein Solarpanel ist aus vielen dieser Zellen aufgebaut. Wenden wir darauf jetzt das MIMO-Verfahren an, erhöhen wir die Datenrate linear mit der Anzahl der Elemente des Solarpanels. Wir hätten also bei einem Panel mit zehn Zellen fünf Gbit. Damit könnten wir jede Solarzelle auf einem Haus als Empfänger nutzen.
In Kombination mit Laser-Systemen ließe sich damit das Hochgeschwindigkeits-Internet auch in abgelegene Regionen beamen. Wir bauen inzwischen einen derartigen solarzellenbasierten Backhaul im Rahmen der 5G-Erweiterungen, finanziert von der englischen Regierung.
Wo sehen Sie denn die Trends, die den Einsatz von LiFi vorantreiben?
H. H.: Der wichtigste Treiber ist sicher der Trend hin zum datenbasierten Wirtschaften. Industrie 4.0, Autonome Systeme, Smart City – all diese Entwicklungen benötigen Konnektivität. Doch die Kapazität der Funksysteme wird nicht für die künftigen Anforderungen ausreichen.
Den Spektren-Crunch kann man heute schon beobachten – an Flughäfen, in Stadien, also dort, wo viele Leute gleichzeitig viel Traffic generieren. LiFi bietet dazu nicht nur enorme Kapazitäten, sondern auch erhöhte Sicherheit. Das sind die ausschlaggebenden Punkte.
Die Marktanalysten sagen tatsächlich ein enormes Marktwachstum für LiFi voraus. Was ist das für ein Gefühl, eine Technologie erfunden zu haben, die den Markt komplett aufmischt?
H. H.: Das ist aufregend und das, was uns die letzten 15 Jahre aus dem Bett gebracht hat! Ich hatte zunächst ja nur die Vision, zusätzliche Datenlinks mit Licht zu generieren. Aber beim näheren Hinschauen eröffnen sich Anwendungen in vielen Märkten – 5G, Defence, IoT, Industrie 4.0. Was in gewisser Weise auch ein Problem darstellt, da man sich aus Firmensicht entsprechend fokussieren muss. Wir konzentrieren uns heute auf die Chancen, die am schnellsten gewinnbringend umgesetzt werden können.
Wie schaffen Sie es dabei, mit Ihrer eigenen Firma den großen HightechFirmen aus den USA etwas entgegenzusetzen?
H. H.: Wir arbeiten seit 15 Jahren an LiFi und haben ein sehr gutes Patent-Portfolio ausgearbeitet. Zudem sind wir als kleine Firma und relativ kleines Forschungsinstitut agiler als die Großen. Für LiFi haben wir mittlerweile über 70 Pilotprojekte in verschiedenen Anwendungen, um die Technologie in verschiedenen Märkten und Applikationen zu testen. So versuchen wir, unsere Vorreiterrolle weiter auszufüllen.
Eine Marktanalyse von Energias Market Research prognostiziert das größte Marktwachstum für LiFi in Asien, während Nordamerika den größten Umsatz mit der Technologie macht. Verpasst Europa den Anschluss?
H. H.: Die Gefahr könnte in der Tat bestehen. Man muss sich ja nur mal das Beispiel GSM anschauen: Europa hat mit GSM die Grundlage für den digitalen Mobilfunk gelegt, aber die Anwendungen, die Geld bringen, wurden dann woanders generiert. Die Gefahr besteht auch bei LiFi: Europa baut die Infrastruktur, aber die Abschöpfung findet woanders statt. Aber ich hoffe, dass Europa da gelernt hat und nicht nur die Infrastrukturentwicklung unterstützt, sondern auch gleichzeitig die Applikationen dazu mit aufbaut.
Viele Ihrer Forscher-Kollegen meinen, Grundlagenforschung sollte man vom Kommerz trennen. Sie sehen das augenscheinlich anders …
H. H.: Wenn Sie nach Stanford oder zum MIT schauen, dann sieht man dort auch keinen Konflikt. Diese Denke finde ich absolut lächerlich. Gerade in den Ingenieurs-Wissenschaften wollen wir etwas konkret zum Nutzen der Menschheit entwickeln. So verstehe ich mich und daher habe ich überhaupt kein Problem zu sagen, dass ich ein angewandter Forscher bin. Das ist für mich ein Ausdruck von Stolz. Wenn ich meine Forschung betreibe, dann will ich auch irgendwann sehen, dass sie einen Nutzen für die Menschheit hat.
Sie beschäftigen sich als Professor für Mobile Communications nicht nur mit LiFi. Welche Rolle spielen die anderen Wireless-Technologien bei Ihrer Forschungsarbeit?
H. H.: Bei uns läuft nach wie vor ein Forschungsprogramm im Bereich der Funktechnologien. Wir haben zum Beispiel 2006 die Spatial Modulation erfunden, deren Einsatz jetzt von Samsung und Orange bei 5G erprobt wird. Darüber hinaus forschen wir im Bereich der Mehrantennensysteme.
Funk ist nach wie vor ein wichtiges Element der drahtlosen Kommunikation, gerade wenn es um Langstrecken-Kommunikation oder eine flächendeckende Abdeckung geht. Der Trend zeigt dabei in den Bereich der höheren Frequenzen, also 10 GHz und mehr.
Sehen Sie denn auch Potential im Bereich der Personal Area Networks oder steht jetzt erstmal 5G im Vordergrund?
H. H.: Ich würde das in der Form nicht trennen: 5G deckt durchaus auch Personal Networks mit ab. Wir sehen zum Beispiel auch LiFi als Teil von 5G. Immerhin wird LiFi innerhalb der IEEE-Norm 802.11 standardisiert, die Teil der 5G-Initiative ist. Funk- und LiFi-Technologien stören sich gegenseitig nicht, sondern ergänzen sich. Gemeinsam bilden sie das Nervensystem der zukünftigen digitalen Gesellschaft.
Gehen Sie auch manchmal einen Schritt beiseite und betrachten die ganze Entwicklung zur immer weiter gehenden Vernetzung kritisch aus der Distanz?
H. H.: Das fällt natürlich schwer, wenn man so komplett eingesogen ist in die Forschung. Das Gute ist, dass meine Frau und unsere vier Kinder mir immer wieder eine andere Perspektive vermitteln. Aber grundsätzlich sehe ich die zunehmende Vernetzung nicht negativ: Nur so können wir die Nachhaltigkeit erhöhen, die bestehenden Probleme lösen und eine gerechtere Verteilung der wirtschaftlichen Entwicklung auf dem Planeten erreichen. Die Krux dabei ist der richtige Einsatz, den man als Forscher nicht komplett unter Kontrolle hat.
Aber grundsätzlich hat die Technik doch unsere Lebensqualität über die Jahre ständig verbessert. Daher bin ich auch begeistert dabei, diese LiFi-Systeme zu bauen, weil ich weiß, sie werden ebenfalls dazu beitragen.