Chinas intelligente 6G-Oberflächentechnologie wandelt Radar in Energie für Tarnkappenjets um

Radar von einer Bedrohung zur Ressource machen

Seit Jahrzehnten verlassen sich Militärflugzeuge auf Tarnkappentechnologie, um der Entdeckung durch feindliches Radar zu entgehen. Das Grundprinzip besteht darin, den Rumpf des Flugzeugs entsprechend zu formen und spezielle radarabsorbierende Materialien aufzutragen, die einfallende Funkwellen streuen oder aufnehmen und so verhindern, dass sie zum Empfänger zurückgeworfen werden. Nun haben Forschende in China eine radikale Weiterentwicklung dieses Konzepts vorgeschlagen. Statt Radarenergie lediglich abzulenken oder abzubauen, soll die neue Technologie sie aufnehmen und in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Diese Entwicklung, die auf fortgeschrittener elektromagnetischer Technik beruht, könnte die Dynamik der elektronischen Kampfführung und die Zukunft der drahtlosen Kommunikation grundlegend verändern.

Die von einem Team der Xidian-Universität geleitete Forschung befasst sich mit einem autarken elektronischen System, das drahtlose Informationsübertragung und Energiegewinnung miteinander verbindet. In konkreten militärischen Szenarien könnte ein Tarnkappenjet so den auf ihn gerichteten Radarstrahl absorbieren und die Energie für den Antrieb, Sensoren oder Kommunikationssysteme an Bord nutzen. Dadurch könnte die Entdeckung durch den Gegner dem Ziel unabsichtlich genau die Energie liefern, die es zum Betrieb oder zur Ausweichbewegung benötigt.

Die Wissenschaft hinter rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen

Im Zentrum dieser Innovation steht eine Technologie, die als rekonfigurierbare intelligente Oberfläche oder RIS bezeichnet wird. Während herkömmliche Tarnkappentechnik auf passiven Materialien beruht, die bereits bei der Herstellung festgelegt werden, ist eine RIS eine dynamische, zweidimensionale Struktur aus Hunderten oder Tausenden winziger, programmierbarer Elemente. Diese Elemente können elektromagnetische Wellen in Echtzeit beeinflussen und Eigenschaften wie Phase und Amplitude verändern, um zu steuern, wie das Signal reflektiert oder absorbiert wird.

Die Forschenden beschreiben diese RIS-Architektur als kostengünstige und hochgradig programmierbare Lösung für künftige drahtlose Netzwerke. Anders als herkömmliche Antennen, die für die Erzeugung von Signalen viel Energie und Hardware benötigen, verändert eine RIS vor allem bereits in der Umgebung vorhandene Signale. Indem sie Energie aus Radar- oder anderen Umgebungssignalen gewinnt, kann die Oberfläche ohne herkömmliche Batterien betrieben werden. Aktuelle Prototypen können den Strahl mit geringer Nebenkeulenbildung um bis zu plus oder minus 45 Grad ausrichten. Diese Präzision ermöglicht eine bessere Signalabdeckung, wenn physische Hindernisse die direkte Sichtverbindung versperren, wie es in Städten und in schwierigem Gelände häufig der Fall ist.

Gleichzeitige Übertragung von Informationen und Energie

Die Forschenden stellen ein Konzept vor, das sie als gleichzeitige Informations- und Energieübertragung mithilfe von RIS beschreiben. Vereinfacht gesagt kann dasselbe elektromagnetische Signal sowohl zur Kommunikation als auch zur Energiegewinnung genutzt werden. Radarstrahlen, Satellitenverbindungen und Kommunikationssignale sind bereits allgegenwärtig im militärischen und zivilen Luftraum. Statt diese elektromagnetische Umgebung ausschließlich als Störung oder Bedrohung zu betrachten, könne sie, so die Studie, als wertvolle Ressource dienen.

Im vorgeschlagenen Modell nimmt eine intelligente Oberfläche eingehende Signale auf und leitet einen Teil der Energie an eine interne Schaltung zur Energiegewinnung weiter. Das verbleibende Signal wird anschließend für Kommunikations- oder Signalsteuerungszwecke verändert. Wie die Forschenden betonen, ist dieser Prozess passiv. Die Oberfläche selbst sendet keine erkennbaren Signale aus. Das ist ein wichtiger Aspekt für Plattformen mit geringer Entdeckbarkeit, die vor elektronischen Aufklärungsmaßnahmen verborgen bleiben sollen.

Elektromagnetische kooperative Tarnung

Die Forschung skizziert eine Vision, die das Team als elektromagnetische kooperative Tarnung bezeichnet. Sie geht über die Vorstellung eines einzelnen Flugzeugs hinaus, das sich unabhängig verbirgt. Stattdessen arbeiten mehrere vernetzte Plattformen koordiniert zusammen, um ihren gesamten Radarquerschnitt und ihre Sichtbarkeit für Sensoren zu verringern. Indem eine Formation aus Drohnen oder Flugzeugen Daten austauscht und ihre RIS-Beschichtungen dynamisch anpasst, könnte sie theoretisch tote Winkel schaffen oder gegnerische Ortungssysteme wirksamer verwirren, als es den einzelnen Plattformen möglich wäre.

In den Fallstudien werden durch die gemeinsame Optimierung von Parametern wie der Strahlformung der Sendeempfänger, den Flugbahnen der Drohnen und den RIS-Koeffizienten Lösungsansätze auf Basis von Multi-Agenten-Deep-Reinforcement-Learning und Mehrzieloptimierung vorgeschlagen. Damit sollen Probleme wie die Auslegung der Strahlformung, die Pfadplanung, die Zielerfassung und die Datenaggregation gelöst werden, schreiben die Forschenden in ihrer Arbeit.

Dieser kooperative Ansatz lässt sich auf Formationen aus mehreren Plattformen ausweiten und verbessert deren gemeinsame Unsichtbarkeit über das gesamte Hochfrequenzspektrum hinweg. Das Team geht davon aus, dass diese Architektur künftig umgebungsadaptive integrierte Sensorsysteme ermöglichen wird, die intelligent auf die jeweils auftretenden Bedrohungen reagieren.

Auswirkungen auf die Telekommunikation der sechsten Generation

Auch wenn die militärischen Anwendungen besonders faszinierend sind, betonen die Forschenden die weitreichende Bedeutung der Technologie für die zivile Infrastruktur, insbesondere für die Entwicklung von 6G-Netzen. Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind überzeugt, dass der größte Sprung bei der nächsten Generation drahtloser Kommunikation nicht allein von schnelleren Chips ausgehen wird, sondern davon, Signale anders durch die Umgebung zu leiten. Ein wichtiger Schwerpunkt der 6G-Forschung sind genau diese rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen.

Für die Telekommunikation verspricht die Oberfläche Fortschritte bei 6G, etwa die integrierte Erfassung und Energieversorgung von Satelliten oder Basisstationen. Die Hardwareplattform verbindet Datenübertragung mit radarähnlichen Funktionen, um die Nutzung von Frequenzspektrum und Hardware-Ressourcen zu optimieren. Indem das System gestreute elektromagnetische Wellen und aktiv ausgestrahlte Signale gemeinsam beeinflusst, verringert es den Platzbedarf und die Hardwarekosten, die für solche Mehrfachfunktionen normalerweise anfallen. So könnten Mikrobasisstationen entstehen, die einfacher aufzustellen und energieeffizienter sind als heutige Mobilfunkmasten.

Befürworter der Technologie sagen, 6G könne die Grenze zwischen physischer und digitaler Welt verwischen und Anwendungen wie Hologramme, digitale Zwillinge und groß angelegte Internet-der-Dinge-Netzwerke ermöglichen. In einer solchen Umgebung könnten Geräte mit intelligenten Oberflächen fortlaufend kleine, aber nutzbare Energiemengen aus den umgebenden Übertragungen gewinnen. Das könnte die Akkulaufzeit verlängern oder vollständig autarke Sensoren ermöglichen.

Sicherheit und Abwehr von Störsignalen

Neben der Energiegewinnung bietet die vielseitige RIS-Technologie erhebliche Vorteile für die Netzwerksicherheit. Die Oberfläche lässt sich so konfigurieren, dass gezielt Funklöcher entstehen. Das kann Signalstörungen eindämmen und das Risiko elektronischer Überwachung verringern. Indem Signale in bestimmten Bereichen gezielt blockiert werden, könnten Sicherheitseinrichtungen verhindern, dass Daten nach außen dringen oder unbefugte Signale eindringen.

In der Studie angeführte frühere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass RIS auch zur Abwehr von Störsignalen, für die Kommunikation mit unbemannten Luftfahrzeugen und zur Funküberwachung eingesetzt werden könnte. Bei diesen Aufgaben stoßen ältere Optimierungsverfahren häufig an ihre Grenzen. Auch die Europäische Weltraumorganisation hat RIS als mögliche Technologie für die Satelliten-Boden-Kommunikation hervorgehoben. Dort könnten kontrollierbare Reflexion und Umlenkung von Signalen dabei helfen, Verbindungen um physische Hindernisse wie Berge oder hohe Gebäude herumzuführen.

Forschende der Fudan-Universität, der Universität Sydney und der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation weisen darauf hin, dass diese Technologie in Verbindung mit künstlicher Intelligenz die Sicherheit von Internet-der-Dinge-Verbindungen zwischen Luftfahrzeugen und Boden erheblich verbessern könnte. Damit ist die Technologie nicht nur für Tarnkappenjäger relevant, sondern auch für das riesige Ökosystem vernetzter Geräte, das die Smart Cities der Zukunft prägen dürfte.

Herausforderungen und Grenzen

Trotz des vielversprechenden Potenzials benennen die Forschenden die derzeitigen Grenzen der Technologie ausdrücklich. Die Studie stellt in erster Linie einen theoretischen und experimentellen Rahmen vor, kein einsatzbereites Waffensystem. In der Materialwissenschaft, bei der Haltbarkeit, der Steuerelektronik und im Umgang mit der Komplexität elektromagnetischer Umgebungen in der realen Welt bestehen weiterhin erhebliche Herausforderungen.

Die bislang gewonnene Energiemenge ist gering. Ein Düsentriebwerk allein mit Radarstrahlen anzutreiben, bleibt vorerst Science-Fiction. Die Energie könnte jedoch für Avionik mit geringem Strombedarf, Sensoren oder Kommunikationspuffer ausreichen. Um solche Systeme auf schnell beweglichen Plattformen wie Jets oder Raketen einzusetzen, wären weitere Durchbrüche nötig, damit sie extremen aerodynamischen Kräften und Temperaturschwankungen standhalten.

Darüber hinaus hängt die Effizienz der Energieumwandlung stark von Frequenz und Intensität des eingehenden Signals ab. Zwar tragen höherfrequente 6G-Signale konzentriertere Energie, doch heutige Radarsysteme arbeiten in unterschiedlichen Frequenzbändern, die für die Energiegewinnung möglicherweise nicht optimal sind. Die Forschenden warnen davor, die Wirkung zu übertreiben: Dass Radarstrahlung kontraproduktiv werden könnte, sei zunächst ein konzeptioneller Wandel und keine kurzfristig umsetzbare Realität.

Der globale Wettlauf um die Vorherrschaft bei 6G

Die Entwicklung dieser Technologie findet vor dem Hintergrund eines intensiven weltweiten Wettlaufs statt, bei dem die Standards für 6G festgelegt und dominiert werden sollen. Die Vereinigten Staaten und China konkurrieren mit großem Einsatz darum, weltraumgestützte Rechenzentren und fortschrittliche drahtlose Infrastrukturen aufzubauen, die künstliche Intelligenz und künftige Konnektivität unterstützen könnten. Chinas Vorsprung bei der RIS-Forschung könnte den Aufbau rekonfigurierbarer Netzwerke beschleunigen und die Abdeckung dort verbessern, wo keine direkte Sichtverbindung besteht und herkömmliche 5G-Netze Schwierigkeiten haben.

Indem das Gerät Sensorik, Kommunikation und Energieversorgung in einer Hardwareplattform vereint, könnte es zahlreiche fortschrittliche Anwendungen ermöglichen und zugleich Abhörversuche und Störungen verringern. Sollte sich die Technologie bewähren, könnte sie Chinas Position im globalen Technologiewettlauf stärken und zugleich verändern, wie künftige Tarnkappen- und Kommunikationssysteme mit der elektromagnetischen Umgebung interagieren.

Das Wichtigste in Kürze

• Forschende in China haben eine intelligente elektromagnetische Oberfläche entwickelt, die Umgebungsradarwellen in elektrische Energie umwandeln kann.
• Die Technologie nutzt rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS), um Wellen in Echtzeit und ohne herkömmliche Batterien zu beeinflussen.
• Zu den möglichen Anwendungen zählen die Energieversorgung von Systemen in Tarnkappenflugzeugen durch feindliche Radarstrahlen und Verbesserungen der 6G-Telekommunikation.
• Das System ermöglicht elektromagnetische kooperative Tarnung, bei der mehrere Plattformen gemeinsam ihre Entdeckbarkeit verringern.
• Prototypen können den Strahl um bis zu plus oder minus 45 Grad ausrichten und aus Sicherheitsgründen gezielt Funklöcher schaffen.
• Herausforderungen bestehen weiterhin bei der Energieeffizienz, der Haltbarkeit der Materialien und der Integration in schnell bewegliche militärische Plattformen.