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.

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Für welche Netzwerktypen bietet EBV grundsätzlich Lösungen?

Uros Mali: Unsere Kunden finden bei uns Halbleiter und auch komplette Module für alle verschiedenen Area Networks. Darüber hinaus haben wir Body-Area-Network-Lösungen wie die Nahfeld-Induktions-Technologie (NFMI) im Portfolio, die ganz neu auf dem Markt ist. Das Produktportfolio umfasst aber generell Lösungen für die verschiedensten Anwendungen und Wireless-Technologien.

Macht die Vielzahl der Wireless-Standards tatsächlich Sinn?

U. M.: Irgendjemand hat einmal gesagt, das Gute an Standards ist, es gibt so viele, dass man aus einer Vielzahl von Möglichkeiten wählen kann. Letztendlich entscheiden die Zeit und der Nutzer, welche Technologie sich durchsetzt. Es wird aber auch immer Anwendungen geben, für die nicht so verbreitete Standards einfach perfekt passen.

Welche Wireless-Technologie finden Sie zurzeit besonders spannend?

U. M.: Alles rund um die Low Power Wide Area (LPWA-)Netzwerklösungen. Es passiert aktuell eine Menge im Umfeld von Sigfox und LoRa. Die Lösungen ermöglichen viele neue Anwendungen und schaffen ein „echtes“ IoT. Parallel zu Sigfox und LoRa werden auch Mobilfunktechnologien ihren Anteil am Markt behaupten. 2G verschwindet früher oder später vom Markt, aber es gibt noch keine Mobilfunklösung mit einer vergleichbaren Verbreitung. Die LTE NB-IoT und Cat-M1-Technologien kommen zwar mit großen Schritten, aber ohne ein klares Zeichen für den Hersteller, in welche Richtung es gehen soll. Beide Technologien bieten viele interessante Funktionen wie den Stromsparmodus (Power Saving Mode) und den erweiterten diskontinuierlichen Empfangsmodus (Extended Discontinuous Reception Mode), der den Betrieb der Anwendung mit einer einzigen Batterie über einen Zeitraum von mehr als zehn Jahren ermöglicht. Das Fehlen einer globalen weltweiten Abdeckung jedoch verhindert aktuell die breite Akzeptanz. Sowohl im nicht lizenzierten als auch im lizenzierten Frequenzband geht es um die Frage, welche Technologie sich auf dem Markt durchsetzen wird.

Mit der Datenübertragung per Funk steigen die Anforderungen an die Cybersecurity. Welche Lösungen kann die Halbleiter-Industrie hierfür bieten?

U. M.: Wenn es um Cybersecurity geht, wird noch immer hauptsächlich über die Verschlüsselung der Kommunikation mit verschiedenen symmetrischen oder asymmetrischen Algorithmen diskutiert. Im IoT ist es aber wichtiger sicherzustellen, dass die Daten vom richtigen Gerät kommen und die Integrität der Daten gewährleistet ist, das heißt dass sie auf Sender- und Empfängerseite gleich sind. Die Halbleiterindustrie bietet dafür eine breite Palette an Lösungen, von einfachen, kostengünstigen und stromsparenden Authentifizierungslösungen bis hin zu vertrauenswürdigen Plattformmodulen (TPMs) auf höherer Ebene. Aber zwei grundlegende Dinge haben alle echten Hardware-Sicherheitslösungen gemeinsam: erstens einen hochsicheren Hardware-Schlüsselspeicher und zweitens kryptographische Algorithmen, die auf der Hardware laufen.

Wie hilft EBV einem Hersteller bei der Wireless-Integration, der vielleicht mit Elektronik bisher gar nicht so viel zu tun hatte?

U. M.: Für diejenigen, die wenig oder gar keine Erfahrung mit der Funktechnologie haben, gibt es Module mit integrierter Antenne und meist auch mit der Möglichkeit, Benutzeranwendungen auf dem Modul auszuführen. Der Kunde muss nur noch die Sensoren, das Netzteil und die Stromversorgung anschließen und in ein Gehäuse stecken. Diese Art von Modulen verfügen über Prüfberichte und Zertifikate, die eine lückenlose Zertifizierung des Endprodukts ermöglichen. Für diese Kunden sind auch Lösungen mit EBVChips interessant, die verschiedene drahtlose Technologien unterstützen. Auf der anderen Seite gibt es die Kunden, die selbst über Ressourcen verfügen, um sich mit dem HF-Teil des Designs zu befassen, zum Beispiel mit Antennenanpassung, Antennenform und -layout. Für sie ist eine Integration auf dem Level des Chipsets eine Lösung. In diesem Fall muss sich der Kunde um alle HF-Tests und Zertifizierungen kümmern. Das erfordert einen gewissen Mehraufwand im Vergleich zu Modul-Lösungen, so dass höhere Stückzahlen erforderlich sind, damit sich die zusätzlichen Kosten rechnen. Natürlich kann EBV auch Kontakte zu Drittanbietern herstellen, die zum Beispiel entsprechendes HF-Know-how haben, um eine schnellere Markteinführung zu ermöglichen.

Sie haben gerade schon EBVChips angesprochen. Was genau bieten Sie hier im Bereich der Wireless-Technologie?

U. M.: Tatsächlich haben die meisten Produkte von EBVChips mit drahtlosen Technologien zu tun. Zum Beispiel ist der EBVChip MAIA eine Lösung, bei der der Production-Level des Wireless M-Bus-Stacks auf einem vorzertifizierten Modul verfügbar ist, auf dem gleichzeitig auch eine Benutzeranwendung ausgeführt werden kann. Viele Verbrauchsmess-Anwendungen können nun nahtlos mit der Wireless M-Bus-Konnektivität aufgerüstet werden – inklusive Open Metering Standard, der in vielen Regionen gefordert wird. Ein anders Beispiel ist der EBVChip IRIS, den wir auch „Cloud-on-Chip“ nennen. Damit bieten wir WiFi-Konnektivität von der Produktionsebene bis zur Cloud. Der Kunde verliert keine Zeit mit der Integration eines umfangreichen WiFi-Stacks oder Antennendesigns, sondern kann sich auf seine Anwendung konzentrieren.

Sind weitere EBVChips für drahtlose Datenübertragung in Planung?

U. M.: Die jüngste EBVChips-Innovation namens Heracles löst drei häufige Kundenprobleme im Bereich der Mobilfunkverbindung: Sie integriert ein 2G-Modul, eine SIM-Karte und ein Prepaid-Datenpaket mit Roaming in 33 EU-Ländern zu Festpreisen bis 2025. Die Lösung zielt auf alle Anwendungen, die eine konstante Verbindung erfordern, bei denen aber nur eine geringe Datenmenge übertragen werden soll. Die EBVChips-Familie wird weiter ausgebaut werden, mit Lösungen für LTE und kommende Konnektivitätsstandards. Sie werden den Stromverbrauch optimieren und über Funktionen wie einen GNSS-Empfänger verfügen. Unseren Kunden stehen damit zukunftssichere Mobilfunk-Lösungen komplett mit Prepaid-Datenpaket zur Verfügung.

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Wie toll wäre es, wenn man nicht mehr kostbare Zeit beim Pendeln oder Reisen im Auto, Bus, Bahn oder Flugzeug vergeuden müsste, sondern wie in den Star-Trek-Filmen einfach per Knopfdruck an jeden beliebigen Zielort gebeamt werden könnte, also nicht nur Informationen Wireless übertragen werden würden, sondern auch Materie.

Doch das wird wohl ein ewiger Traum bleiben. Oder etwa nicht? Tatsächlich sind Physiker schon heute in der Lage, zumindest die Eigenschaften von Materie zu beamen bzw. zu „teleportieren“, wie es in der Fachsprache heißt.

Hier und dort zur gleichen Zeit

Die Grundlage dafür liegt in einem der eindrucksvollsten Phänomene der Quantenphysik: der Verschränkung. Sie beschreibt die Eigenschaft zweier Partikel, sich nicht wie zwei unabhängige Objekte, sondern wie ein einziges physikalisches Objekt zu verhalten.

Die Verschränkung ist nicht räumlich zu verstehen: Verschränkte Teilchen korrelieren bezüglich ihrer Eigenschaften miteinander. Das bedeutet, dass wenn man die Eigenschaften des einen Teilchens verändert, sich das andere Teilchen zeitgleich entsprechend mitverändert, egal wo es sich befindet.

Bei Lichtteilchen (Photonen) kann man eine solche Verschränkung erzeugen, wenn man ein einzelnes Teilchen in einer Laseranordnung mit einem speziellen Kristall in zwei Photonen aufspaltet.

Mit einer derartigen Verschränkung lassen sich Informationen von einem Ort zum anderen ohne Zeitverlust übertragen, so die Theorie. Jede Messung, die den Zustand des einen Teilchens ändert, führt dabei ohne jeden Zeitverzug zu einer Zustandsänderung des anderen Teilchens, egal wie weit entfernt sie voneinander sind.

Dieser Vorgang ist als sogenannte Quanten-Teleportation bereits seit einigen Jahren bekannt.

Teleportation über hunderte Kilometer

Chinesischen Forschern ist es im letzten Jahr gelungen, auf diese Art Informationen über den Zustand von Photonen von einer Bodenstation zu einem Satelliten im All zu teleportieren.

Theoretisch wäre es sogar möglich, die Informationen über den Zustand eines Menschen auf die gleiche Weise zu teleportieren. Damit wäre also tatsächlich ein Beamen wie in Star Trek möglich.

Man müsste nur sämtliche Quantenzustände eines Menschen lesen, diese Informationen an den Zielort schicken und Atome mit den gleichen chemischen Elementen damit „prägen“.

Der Mensch ist zu komplex

Doch zwei große Probleme sind dabei noch ungelöst: Erstens wären eine enorme Menge Energie und extrem komplexe Berechnungen für die Teleportation eines Menschen nötig.

Wissenschaftler der University of Leicester in England haben das mal ausgerechnet: Da alleine 10 Milliarden Bits nötig sind, um eine einzige Zelle eines Menschen zu beschreiben, würde die Datenmenge eines durchschnittlich großen und schweren Menschen rund 2,6 mal 1042 Bits betragen – das ist eine 2,6 mit 42 Nullen.

Allein die Übertragung dieser Information mit einer Taktzahl von 30 GHz würde 350.000-mal länger dauern, als unser Universum überhaupt besteht. Da wäre man zu Fuß schneller.

Und würde man die Taktzahl erhöhen, um die Dauer der Reise auf wenige Tausend Jahre zu verringern, wären die Energieressourcen unserer Erde innerhalb von einer Sekunde erloschen.

Und dabei wäre das zweite Problem noch nicht gelöst: Was passiert mit dem Menschen am Sendeort, wenn er am Zielort erscheint? Laut Quantenphysik würde das Original gelöscht, wäre nicht mehr existent. Wer wäre bereit, so eine Teleportations-Maschine tatsächlich zu testen?

Bei allem, was heute bekannt ist, scheint es also leider äußerst unwahrscheinlich, dass wir jemals nur mit einem „Beam me up, Scotty“ zu unserem Wunschort transportiert werden.

Dennoch lohnt sich die Beschäftigung mit der Teleportation – nicht um Gegenstände zu übertragen, aber um mit Hilfe der Quantenphysik schnelle Computer und eine aus heutiger Sicht rasend schnelle Übertragung von Daten zu realisieren. Wireless Communication „at its best“, sozusagen.

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Kabellos HDMI-Bilder streamen

Lichtmalerei

Keyless Entry ­fürs Fahrrad

Starter-Kit für die Smart City

Dem Schimmel keine Chance

Jukebox für Kinder

Bitte einmal husten

Kommunizieren mit LiFi

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Sie galt als eine der schönsten Frauen ihrer Zeit, ihr Gesicht war Vorlage für Walt Disneys Schneewittchen, sie war einer der glamourösesten Hollywood-Stars in den 1940er Jahren – und sie war eine leidenschaftliche Erfinderin: Hedy Lamarr.

Eine ihrer frühen Schöpfungen war ein komprimierter Würfel mit Aromen, der dem Wasser als eine Art Brausetablette hinzugefügt wurde. Hedy selbst gab allerdings zu, dass es „schmeckte wie Alka-Seltzer“.

Für Howard Hughes, den legendären Erfinder und Geschäftsmogul, beschäftigte sie sich mit Flugzeugflügeln, die einen geringeren Luftwiderstand aufweisen sollten.

Ihre größte Erfindung war aber sicherlich ein System, das dem US-Militär beim Kampf gegen die deutschen U-Boote im Zweiten Weltkrieg helfen sollte. Ihr US-Patent mit der Nummer 2.292.387 beschreibt eine Funkfernsteuerung für Torpedos, die durch automatisch wechselnde Frequenzen absolut störungssicher war.

Heute ist genau dies als „Spread Spectrum“ eine Kerntechnologie moderner Wireless-Systeme wie GPS, WiFi oder Bluetooth.

Von der Ehefrau zur Waffentechnikerin

Hedy Lamarr wurde 1914 in Wien, Österreich, als Hedwig Eva Maria Kiesler geboren. Mit 17 Jahren spielte sie in ihrem ersten Film, mit „Exstase“ von 1933 weckte sie die Aufmerksamkeit der Filmbranche vollends – nicht nur wegen der gewagten Nacktszenen.

Ihr erster Ehemann, der österreichische Waffenfabrikant Fritz Mandl, versuchte erfolglos, ihre Schauspielkarriere zu beenden. Das Leben als „Vorzeige-Frau“ war nichts für die junge Schauspielerin, sie floh 1937 vor ihrem herrschsüchtigen Ehemann und, als Jüdin, auch vor den Nationalsozialisten nach London und emigrierte schließlich in die USA.

Sie wurde von Metro-Goldwyn-Mayer entdeckt und unter Vertrag genommen und debütiert 1939 mit ihrem Künstlernamen Hedy Lamarr im Film „Algiers“.

Die PR-Maschine des Studios vermarktete sie als „Die schönste Frau der Welt“, eine Bezeichnung, die sie verachtete:

Während ihrer Jahre in Österreich begleitete Lamarr ihren ersten Ehemann in seine Labors und lauschte aufmerksam seinen Gesprächen mit Waffen-Entwicklern – so lernte sie viel über Antischiffswaffen und Steuerungssysteme.

Sie nutzte dieses Wissen, um einen funkferngesteuerten und damit treffsicheren Torpedo zu entwickeln. Sie wusste aber auch, dass Funksignale gestört werden konnten, so dass Gegenmaßnahmen gegen so einen Torpedo leicht zu realisieren wären.

Die Lösung fand sie schließlich zusammen mit dem amerikanischen Avantgarde-Komponisten George Antheil. Er hatte für den Film „Le Ballet Mécanique“ 16 automatische Klaviere zusammengeschaltet und über gestanzte Papierrollen synchronisiert.

Frequenzwechsel per Papierrolle

Lamarr kam nun auf die Idee, mit Hilfe derartiger perforierter Papierbänder die Funkfrequenz der Torpedosteuerung automatisch zu wechseln.

Gemeinsam mit Antheil entwickelte sie ein technisches Konzept, bei dem Sender und Empfänger identische Piano-Notenrollen, im Prinzip Lochkarten, nutzten, um das Signal auf unvorhersehbare Weise in einem Bereich von 88 Frequenzen zu ändern (hier wird die Inspiration durch die automatischen Klaviere deutlich – ein Klavier hat 88 schwarze und weiße Tasten).

Lamarr und Antheil erhielten 1942 gemeinsam das Patent auf ihre Erfindung eines „geheimen Kommunikationssystems“. Doch die Technologie fand während des Zweiten Weltkriegs keinen Einsatz mehr – zu komplex erschien den Militärs die Technik, vielleicht spielten auch Vorurteile gegen eine Schauspielerin und einen Komponisten als Erfinder eine Rolle.

Jedenfalls lag das Frequenzsprungverfahren lange Jahre im Regal. Bis zu den 1950er Jahren, als die Technologie in einer neuen Sonar-Boje verwendet wurde, komplett mit rotierenden Zylindern für die Steuerung des Frequenzwechsels.

Den wirklichen Durchbruch schaffte die Technologie aber erst, nachdem sie vom Militär frei gegeben wurde. Heute sind die Papierbänder durch digitale Schaltungen ersetzt, die Sequenzen werden von Pseudo-Zufallszahlen (PSN) erzeugt – doch die grundlegende Idee ist noch immer dieselbe, die Hedy Lamarr und George Antheil sich patentieren ließen.

Der Wert der Erfindungen, die auf Lamarrs Idee aufbauen, ist nur schwer zu quantifizieren. Doch Lamarr und Antheil profitierten nicht im Geringsten von ihrer Entwicklung. Erst 1996 wurde beiden der Pioneer Award der Electronic Frontier Foundation verliehen und damit ihre Leistung anerkannt.

Hedy Lamarr starb im Jahr 2000. Auch wenn es sicherlich viele andere Erfinder und Wissenschaftler gab, die größere Fortschritte in den Funktechnologien erzielten, so ist Hedy Lamarr doch ein Vorbild und ein Pionier für das Wesentliche des Erfindergeistes: der Fähigkeit, ungewöhnlich zu denken.

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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.

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