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Kommunikation – die Welt umspannend

Jedes Lebewesen, das sich in seiner Umgebung zurechtfinden muss, ist auf den Erwerb von Wissen, von Information über die Umwelt angewiesen. Dieses Wissen muss es nicht nur erwerben, sondern auch speichern, damit es später in ähnlichen Situationen zur Verfügung steht. Gleichzeitig muss das Wesen in der Lage sein, Informationen an Artgenossen oder auch Artfremde weiterzugeben und von ihnen zu erhalten – zu kommunizieren. War der Mensch während der meisten Zeit seiner Existenz auf seine Sinnesorgane zum Austausch von Mitteilungen aller Art angewiesen, stehen ihm heute auch technische Erfindungen zur Verfügung, die vor allem die Reichweite der Kommunikation erhöhen.

Musste man früher in Hör- oder Sichtweite zum Kommunikationspartner stehen oder einen Boten senden, sind heute Telefongespräche über den ganzen Globus selbstverständlich geworden. Während das Telefon dem gegenseitigen Austausch von Mitteilungen dient, liefern Fernsehen und Radio Informationen nur in eine Richtung. Über diese Medien ist es möglich geworden, Informationen an beliebig viele Menschen gleichzeitig zu senden, sie ihnen direkt in die Wohnstuben zu liefern. Zur Weitergabe muss Information in Zeichen umgesetzt werden – im einfachsten Fall in Mimik und Sprache. Aber Dinge, die nur mündlich weitergegeben werden, vergisst man zu leicht. Eine Verbesserung brachte die Schrift – trug der Bote eine geschriebene Nachricht bei sich, waren Übermittlungsfehler weitgehend ausgeschlossen.

Das Senden und Empfangen von Informationen mittels Telefon oder Fernsehen wurde durch die Umsetzung der Nachricht in elektromagnetische Signale möglich.

Dient das Telefon dem gegenseitigen Austausch von akustischen Informationen, erlaubt die digitale Codierung von Daten den Austausch und die Speicherung jeder Art von Information – Text, Sprache und Musik, Bilder, Messdaten … Eine neue Qualität kam hier durch das globale elektronische Netzwerk »Internet« ins Spiel, das den Alltag und vor allem die Arbeitswelt in vielen Aspekten radikal verändert hat.

Telekommunikation: Austausch per Draht und Funk

Wie kommt der Ton in die Leitung?

In analogen Geräten werden die Schallschwingungen im Mikrofon in elektrische Schwingungen umgewandelt. Diese werden über Telefonkabel aus Kupfer weitergeleitet.

Heute ist in Deutschland jedoch das öffentliche analoge Telefonnetz flächendeckend durch ein digitales Netz ersetzt. Um damit die analogen Schallsignale übertragen zu können, werden sie vom Mikrofon in bestimmten zeitlichen Abständen abgetastet, der gemessene Wert als Binärwert kodiert und dem Telefonsignal überlagert.

Die digitale Übertragung bietet eine bessere Qualität, schnelleren Verbindungsaufbau und kaum Störgeräusche. Sie ermöglicht auch zusätzliche Dienste wie Bildübertragung, Anrufweiterschaltung oder Dreierkonferenz, außerdem sind damit verschiedene Dienste über dieselbe Leitung möglich (etwa telefonieren, faxen oder Datenübertragung). Man spricht daher von einem »Dienste integrierenden digitalen Netz« oder kurz ISDN.

Übrigens: Auch mit einem »normalen«, also analogen Telefon kann man über das digitale Netz telefonieren – heute muss man es sogar –, aber der technisch mögliche Funktionsumfang des ISDN steht nicht zur Verfügung.

Was zeichnet ein Handy aus?

In erster Linie der Umstand, dass es ohne Telefonkabel auskommt und dass der Benutzer von jedem Ort aus, der innerhalb einer Funkzelle liegt, anrufen kann und dort auch erreichbar ist. Wegen der dadurch gebotenen Mobilität wird das Handy auch als Mobiltelefon bezeichnet. Den Namen »Handy« hat es nur im Deutschen.

Die heutigen Handys bieten auf kleinstem Raum ein Maximum an Technik und großen Komfort. Wie ein gewöhnliches drahtgebundenes Telefon enthält ein Handy Lautsprecher, Mikrofon und ein Bedienteil (das Tastatur und Bildschirm umfasst). Hinzu kommen ein Sende-/Empfangsteil, eine meist integrierte Antenne, ein Kleincomputer und ein auswechselbarer Datenspeicher. Die meisten Handys enthalten darüber hinaus eine Kamera oder Abspielmöglichkeiten für Musik.

Übrigens: Mobiles Telefonieren ist dadurch möglich, dass die Signale vom Senderhandy zum nächsten Funkmast und von dort automatisch an andere Funkmasten übermittelt werden. Jedes eingeschaltete Handy meldet dem Netz ständig seine Position; dadurch kann das Empfangshandy gefunden werden, und der Empfänger kann das Gespräch annehmen.

Mobiltelefone setzen also eine gewisse Infrastruktur in Gestalt eines Mobilfunknetzes voraus. Dieses wird gebildet von den sog. Funkzellen mit je einem Funkmast im Zentrum. Dessen Sendebereich hat einen Radius von 15 bis 25 Kilometern. Die Funkzellen überlappen teilweise, so dass eine ungestörte Kommunikation möglich ist.

Wie kann man über das Internet telefonieren?

Im Unterschied zur klassischen Telefonie werden beim Telefonieren über das Internet nicht einfach Leitungen durchgeschaltet, sondern die Sprache wird in digitaler Form – wie andere Daten auch – in kleinen Paketen durch das Telefonnetz transportiert. Die »Internettelefonie« nennt man technisch »VoIP« (Abkürzung für englisch »Voice over Internet Protocol«). Heute gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten, Sprache in das Internet einzuspeisen: Zum einen benutzt man einen eingeschalteten PC, an dessen Soundkarte ein Mikrofon angeschlossen ist, zum anderen ein spezielles Telefon, das VoIP-Telefon.

Während eines Telefonats laufen die Datenpakete allerdings nicht direkt vom Sende- zum Empfangsgerät (jeweils ein PC oder VoIP-Telefon), sondern können im Netz verschiedene Wege einschlagen. Das bedeutet, sie können beim Empfänger manchmal um Zehntelsekunden versetzt ankommen – und das kann in einem Gespräch für irritierende Pausen sorgen. Durch diese Übertragungsweise ist VoIP auch besonders leicht abzuhören und zu manipulieren. Außerdem sind nicht alle Nummern des Telefonnetzes zugänglich (z. B. die Notrufe 110 und 112), da es keine Anbindung an ein bestimmtes Ortsnetz gibt.

Spart man mit Internettelefonie Gebühren?

Ja, aber nur, wenn man mit seinem Internetanbieter eine Flatrate vereinbart hat. Dann fallen nämlich keine Gesprächsgebühren an. Die Telefongrundgebühr ist jedoch weiterhin zu entrichten, weil die Vorraussetzung für das Telefonieren über das Internet ein ISDN- oder DSL-Anschluss ist. Es gibt sogar die Möglichkeit, eine eigene feste VoIP-Telefonnummer zu erhalten, wenn man mit dem Internetanbieter einen entsprechenden Vertrag abschließt. Dafür fallen ebenfalls Gebühren an. Marktforscher rechnen bis Ende 2007 mit mehreren Millionen VoIP-Teilnehmern.

Was ist UMTS?

UMTS, die Abkürzung für englisch »universal mobile telecommunications system«, ist ein internationaler, seit 1998 bestehender Mobilfunkstandard, der schrittweise den heute existierenden Standard GSM (Abkürzung für englisch »global system for mobile communication«) ablösen soll. Gegenüber GSM bietet UMTS eine wesentlich höhere Datenübertragungsrate und ermöglicht damit vom Handy aus den Zugriff auf das Internet mit akzeptabler Geschwindigkeit.

Im Sommer 2000 ersteigerten Netzbetreiber deutsche UMTS-Lizenzen im Wert von über 50 Mrd. Euro. Zu den Lizenzbedingungen gehörte es, rasch flächendeckende UMTS-Netze aufzubauen. Seit 2004 ist das für die Ballungsräume realisiert, der Verkauf von UMTS-Handys läuft aber nur schleppend und es ist fraglich, ob die Kosten der Funklizenzen wieder erwirtschaftet werden können.

Wussten Sie, dass …

der Sende- und Empfangsbereich um einen Handyfunkmast als Funkzelle bezeichnet wird? Je höher die Ansprüche an die Übertragungsqualität sind, desto kleiner müssen die Funkzellen eines Mobilfunknetzes sein. Daher ist das UMTS-Netz viel dichter als die älteren GSM-Netze.

Unterhaltungselektronik: Analog und digital

Wie wurden früher Klänge konserviert?

Durch Abspeichern auf einem analogen Datenträger. Früher handelte es sich dabei um Schellackplatten, dann kamen die Vinyl-Platten sowie magnetische Tonbänder und -kassetten hinzu.

Verfahren zur Tonaufzeichung gibt es seit gut 100 Jahren: Beim Grammofon wurden Klänge mit einer Art Hörrohr auf eine Membran geleitet, an der eine Stahlnadel befestigt war. Durch die Schallwellen begann sie zu vibrieren und ritzte so ein Muster in eine Wachsmatrize. Diese »Matrize« konnte man mit Schellack oder anderem Kunststoff abformen und so Schallplatten herstellen. Um den Ton wieder hörbar zu machen, führte man die Nadel durch die Rille der Schallplatte, die Membran begann zu vibrieren und erzeugte so im Schalltrichter einen hörbaren Ton. Dieses Verfahren war also rein mechanisch. In den 1930er Jahren führte man die elektrische Verstärkung der Töne bei Aufzeichnung und Wiedergabe ein, mittlerweile werden die Signale digital aufbereitet und die Nadelführung in der Matrize optimiert, ansonsten blieben die Verfahren prinzipiell unverändert. Etwas komplizierter sind das Tonband und die Tonkassette: Sie benötigen Kunststoffbänder, die mit eisenhaltigem und damit magnetisierbarem Material beschichtet sind. Ein Magnetkopf wandelt die elektrischen Signale eines Verstärkers oder Mikrofons in Magnetfelder wechselnder Richtung um. Sie zwingen das Eisenmaterial auf dem Band, sich entsprechend der Feldrichtung zu orientieren. Diese Magnetisierung des Bands bleibt erhalten, sofern sie nicht durch andere Felder gestört wird – eine Methode, Bänder ohne Restgeräusche zu löschen, besteht denn auch darin, sie einem starken Magnetfeld auszusetzen. Auf umgekehrtem Weg »liest« der Magnetkopf das Band: Im Wiedergabekopf induziert die Magnetisierung des Tonbandes elektrische Signale, die in Töne zurückverwandelt werden.

Die analogen Datenträger verschwanden seit den 1980er Jahren erst allmählich, dann immer schneller vom Markt – die moderne Tonspeicherung erfolgt mithilfe von Computern digital auf CD, DVD und Speicherkarten.

Wo sind auf CD und DVD die Tonsignale?

In unterschiedlich reflektierenden Bereichen einer mikroskopisch dünnen und entsprechend langen Datenspirale. Diese enthält kleine, »Pits« (Gruben) genannte Vertiefungen, unvertiefte Bereiche nennt man »Lands«. Immer wenn der Strahl des Ableselasers eines Abspielgeräts Anfang oder Ende eines Pits erreicht, interpretiert dies die Auswerteelektronik als eine »1«, konstante Pit- oder Landstücke werden als »0« gelesen. Da Computer Zahlen – insbesondere auch Werte für Lautstärke und Klangfarbe von Musik – bekanntlich nur mit diesen beiden Ziffern darstellen, stecken alle akustischen Informationen in Lands und Pits der Datenspirale.

Übrigens: Die Pits sind nur 0,1 Mikrometer bzw. 100 Nanometer tief und 500 Nanometer breit, der Abstand zweier Windungen der Datenspirale beträgt 1,6 Mikrometer. Insgesamt haben die 20 000 Windungen eine Länge von mehreren Kilometern!

Worin unterscheiden sich CD und DVD?

Im Prinzip nur in der Speicherdichte: Die Datenspur einer DVD ist noch schmaler und damit länger als die einer CD, dadurch kann sie statt 700 Megabyte etwa 4,7 Gigabyte Daten speichern. Dies bedingt allerdings, dass auch die Wellenlänge des Ausleselasers kleiner sein muss. Kein Unterschied dagegen besteht im Inhalt: CD wie DVD speichern Folgen von Nullen und Einsen, die für Klang- oder Bilddaten, aber auch genausogut für Computerprogramme oder Kundendaten stehen können. Dass CDs gewöhnlich Musik, DVDs dagegen Spielfilme enthalten, hat allein lizenz- und marketingtechnische Gründe.

Übrigens: Nicht alle DVDs haben eine Speicherkapazität von »nur« 4,7 Gigabyte. Es gibt auch beidseitig bespielbare DVDs, solche, bei denen zwei Datenspiralen übereinander gedruckt sind, und sogar Kombinationen aus beiden Verfahren. Damit kann eine Datenmenge von maximal 17 Gigabyte auf einer DVD gespeichert werden.

Was ist MP3?

Ein Verfahren zur Datenkompression mit vergleichsweise geringen Verlusten. Daher eignet es sich besonders zur Kompression von digitalen Musikdaten – ein normaler Hörer bemerkt die feinen Unterschiede zwischen Originaldaten und komprimierten Daten kaum. Das Verfahren nutzt aus, dass das menschliche Gehör leise Töne nicht wahrnimmt, sofern sie von lauten Töne in benachbarten Frequenzen überdeckt werden: etwa eine Flöte, die fast denselben Ton hervorbringt wie eine Posaune. Diese schwachen Töne werden vor der Speicherung der Klangdatei entfernt. Die Dateien lassen sich so auf etwa ein Zehntel ihrer ursprünglichen Größe komprimieren, ohne dass die Klangqualität merklich leidet. Damit benötigt ein vier Minuten langes Musikstück nur noch etwa vier Megabyte Speicherplatz. Das ermöglicht ein Herunterladen von Musikdateien aus dem Internet – mit allen Problemen hinsichtlich Urheber- und Verwertungsrechten.

Übrigens: MP3 darf nicht mit MPEG-3 oder MPEG-4 verwechselt werden. Bei Letzteren handelt es sich um Verfahren zur Kompression von Videodateien.

Wussten Sie, dass …

das erste Tonbandgerät schon 1935 entwickelt wurde? Aber erst in den 1950er Jahren tauchten solche Geräte auch in den Privathaushalten auf.

die erste CD 1981 auf den Markt kam? Ihre Speicherkapazität von gut einer Stunde Musik soll so bemessen worden sein, damit man Beethovens 9. Sinfonie in einem Stück darauf speichern konnte.

man einen Lautsprecher durchaus mit einem Instrument vergleichen kann? Er ist entscheidend für den Klang einer Musikanlage.

auch bei teuren Lautsprechern die schwingende Membran, mit der die Schallwelle erzeugt wird, aus Pappe besteht?

auf einer einfachen DVD mit 4,7 Gigabyte fast vier Tage Musik im MP3-Stereo-Format Platz finden?

Ist die Schallplatte tot?

Noch nicht ganz. Die berührungslos auslesbaren CDs sind zwar stabiler und praktisch rauschfrei, zudem ist die Spieldauer länger. Jedoch sind es nicht nur Klangfetischisten, die nach wie vor auf ihre Luxusplattenspieler zum Preis eines Mittelklassewagens schwören. Auch verschiedene neuere Musikstile setzen auf »das Vinyl«. Denn es erlaubt rein analoge akustische Effekte wie das sog. Scratchen.

Mikrotechnik: Chips und Sensoren

Was ist ein Mikrochip?

Eine stark miniaturisierte und äußerst komplexe elektronische Schaltung, die das Kernstück jedes Computers und vieler anderer elektronisch gesteuerter Geräte bildet. Mikrochips werden in großer Zahl gemeinsam aus einem Wafer (englisch »Waffel«) genannten Werkstück aus Silicium hergestellt. Dies erklärt auch den Namen: das englische Wort »chip« bedeutet so viel wie »Schnipsel« und bezeichnet die nach dem Auseinandersägen des Wafers übrig bleibenden Einzelbauelemente. Ein anderer Name für Mikrochip ist »integrierter Schaltkreis« oder englisch »integrated circuit« (IC). Er bezieht sich darauf, dass viele Millionen von Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und anderen Schaltelementen in einem einzelnen Chip zusammengefasst sind.

Was ist das Moore'sche Gesetz?

Eine Faustregel über die Geschwindigkeit, mit der die Miniaturisierung in der Elektronik voranschreitet. Einer der Gründer des Chipherstellers Intel, Gordon E. Moore (* 1929), hat in einem Aufsatz Mitte der 1960er Jahre erstmals die Geschwindigkeit beschrieben, mit der die Zahl der Transistoren auf einem Chip zunimmt: Dem »Moore'schen Gesetz« zufolge verdoppelt sich die Integrationsdichte von Chips, also die Zahl der Transistoren auf einer bestimmten Fläche und damit die Computerleistung, etwa alle 18 Monate. Es handelt sich dabei natürlich nicht um ein Naturgesetz, sondern um eine hochgesteckte Erwartung an seine Entwicklungsingenieure (und die der Konkurrenz). Erstaunlicherweise konnte dieses atemberaubende Tempo bis heute beibehalten werden. Hätte die Leistung des Automotors in den letzten 40 Jahren ähnliche Fortschritte gemacht, so würden wir jetzt mit annähernd Lichtgeschwindigkeit über die Autobahn rasen!

Übrigens: Ewig kann das Moore'sche Gesetz nicht gelten. Spätestens, wenn Transistoren nur noch aus einzelnen Atomen bestehen, könnten sie nicht mehr verkleinert werden. Experten rechnen damit, dass dies in fünf bis zehn Jahren der Fall sein könnte.

Wie stellt man Chips her?

Im Wesentlichen durch »Fotokopieren« der Leitungsstruktur von einer vergrößerten Vorlage auf eine Siliciumscheibe mit anschließendem Abätzen von unerwünschten Bestandteilen.

Transistoren (und andere mikroelektronische Schaltelemente) bestehen nämlich aus einer geeignet strukturierten Abfolge von Silicium- und Siliciumdioxidschichten. Diese werden in einer komplizierten Abfolge von Belichtungen und chemischen Ätzprozessen in einer ursprünglich hochreinen Siliciumscheibe, dem »Wafer« (englisch für Waffel), angelegt. Allerdings besitzt sichtbares Licht viel zu große Wellenlängen für die heute benötigten Anforderungen. Stattdessen arbeitet man mit UV-, bald auch mit Röntgenstrahlung. Dennoch heißt das Verfahren nach wie vor »Photolithographie«.

Noch bevor die Wafer mit Diamantsägen in einzelne Chips zerlegt werden, untersucht ein Robotersystem die fertigen Schaltungen automatisch und markiert als Ausschuss erkannte Bereiche. Um schließlich funktionsfähige Prozessoren zu erhalten, müssen diese noch in Gehäuse verpackt und mit elektrischen Zuleitungen, den »Beinchen«, versehen werden. Außer als Steuer- und Recheneinheiten dienen Mikrochips auch als Speicherelemente; Industrie und Forschung kennen zudem noch Hunderte von Spezialanwendungen, vor allem in der Mess- und Prozessleittechnik.

Übrigens: Bei der Chipproduktion müssen höchste Reinheitsanforderungen erfüllt werden, höchstens ein mikrometergroßes Staubkorn darf sich in einem Volumen von 30 Litern Luft befinden!

Sind alle Chips aus Silicium?

Nein, obwohl die Siliciumtechnologie derzeit den mit Abstand größten Marktanteil hat. Generell benötigt man immer ein Halbleitermaterial für mikroelektronische Schaltungen, da sich bei diesen Stoffen der elektrische Widerstand durch elektrische Felder beeinflussen lässt. Der Grund für die weite Verbreitung, die der Halbleiter Silicium gefunden hat, liegt vor allem im Preis – Silicium kommt als Bestandteil von Quarz und anderen häufigen Mineralien weltweit im Überfluss vor. Außerdem ist die Siliciumtechnologie gut erforscht und technisch ausgereift.

Andererseits begrenzen Wärmeverluste und die endliche Leitfähigkeit des Materials die Leistungsfähigkeit jeder elektrischen Schaltung. Deshalb ist der mit Silicium verwandte Halbleiter Germanium eine viel versprechende Alternative, denn er leitet den Strom etwa doppelt so schnell wie das leichtere Schwesterelement. Der Nachteil: Germanium ist viel seltener und damit deutlich teurer. Dasselbe gilt für die Verbindung Galliumarsenid, wobei dort auch noch der Anteil des giftigen Arsens Probleme bereitet. Nur bei speziellen Aufgaben, bei denen Geschwindigkeit wichtiger als niedrige Kosten ist, haben sie sich bisher einen Markt schaffen können. Zukunftsmusik sind heute noch supraleitende Mikrochips, also Prozessoren, in denen der Strom verlustfrei und damit ohne Wärmeabgabe und extrem schnell weitergeleitet wird.

Was ist Optoelektronik?

Der Begriff »Optoelektronik« beschreibt das Zusammenspiel von elektronischen Halbleiter-Bauelementen mit Licht. Grundlage der Optoelektronik ist, dass man die Leitfähigkeit von Halbleitern auch mit Licht verändern kann. Dies wird z. B. in Fotodetektoren genutzt. Doch auch der umgekehrte Weg wird beschritten: Fließt ein Strom durch eine geeignet aufgebaute Halbleiterstruktur, so wird sie zum Leuchten gebracht – beispielsweise in Fahrradleuchten mit LED-Birnen oder im Halbleiterlaser eines CD-Spielers.

Doch Licht kann noch mehr. Eine der Schwierigkeiten der Mikroelektronik besteht nämlich in den begrenzten Übertragungskapazitäten von Zuleitungen und Kabeln. Wählt man anstelle der »trägen« Elektronen Licht als Überträger von Datenpaketen, so werden sowohl Geschwindigkeit als auch Bandbreite, das heißt Übertragungskapazität, deutlich erhöht. Das geeignete Leitungsmedium ist die Glasfaser: Glasfaserkabel bilden mittlerweile das Rückgrat des transkontinentalen Datenaustauschs.

Welche Aufgabe hat die Mikrosystemtechnik?

Die Übertragung des erfolgreichen Prinzips der Miniaturisierung von der Elektronik in andere Bereiche wie Mechanik oder Fluidik (Transport und Manipulation von Gasen und Flüssigkeiten). Mikrosysteme besitzen winzige bewegliche Teile, die z. T. nur unter einem Mikroskop erkennbar sind – mikrometerkleine Wippen, Zahnräder, Pumpen oder Propeller. Die Mikrosystemtechnik gilt als eine der wichtigen Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts.

Sie bedient sich dabei vielfach der Herstellungsverfahren, die man auch in der Mikroelektronik nutzt, indem auf fotochemischem Weg winzige Strukturen in Siliciumkristalle geätzt und ganze Bauelemente auf einem einzigen Chip vereint werden. Der Unterschied zur Mikroelektronik ist, dass bei vielen Anwendungen der Chip auch bewegliche Objekte enthalten muss. Dies erfordert, dreidimensional vorzugehen und auch an solchen Stellen sicher und präzise zu formen, die von außen nicht mehr direkt zugänglich sind. Eines der innovativsten Verfahren, um winzige 3D-Strukturen in großer Stückzahl automatisch zu fertigen, ist das LIGA-Verfahren.

Bereits heute gibt es alltägliche Anwendungen der Mikrosystemtechnik. Am verbreitetsten sind sicherlich die Druckköpfe von Tintenstrahldruckern. Dort entspricht jeder der 1200 Punkte pro Zoll (2,54 cm) einem winzigen Flüssigkeitstropfen, der von einer »Mikrofarbspritze« aufs Papier gesprüht wird. Es gibt auch schon Mikropumpen, die unter der Haut elektronisch gesteuert exakt dosierte Medikamentmengen freisetzen, was beispielsweise Diabetikern zugute kommen soll. Die Dosierung der Medikamentenabgabe kann über implantierte Sensoren erfolgen, welche ständig den Blutzuckerspiegel messen.

Was sind Mikrosensoren?

Es handelt sich um miniaturisierte Messgeräte für Größen wie Druck, Beschleunigung oder Gaskonzentrationen. Hergestellt werden sie mit den Verfahren der Mikrosystemtechnik. Auch die Anwesenheit von Biomolekülen kann mit solchen Mikrosensoren festgestellt werden, was sie für Anwendungen in Medizin und Biotechnologie interessant macht. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, sie mit mikroelektronischen Schaltkreisen zu koppeln, wodurch sich Datenaufnahme und Datenverarbeitung auf engstem Raum durchführen lassen.

Drucksensoren beispielsweise enthalten ein piezoelektrisches Element, dessen elektrische Eigenschaften sich unter Druck ändern, und eine Auswerteelektronik. Beides nimmt eine Fläche ein, die viel kleiner ist als ein Fingernagel. Drückt nun ein schwacher Luftstrom oder ein Insekt auf den Piezokristall, werden darin Elektronen und Atomkerne gegeneinander verschoben, wodurch sich eine schwache elektrische Spannung aufbaut. Dieses Signal wird elektronisch verstärkt, zwischengespeichert und schließlich an ein größeres Rechnersystem ausgegeben.

Wussten Sie, dass …

ein Computerchip wie der verbreitete Pentium-Prozessor etwa 100 W elektrische Leistung aufnimmt? Wenn man ihn nicht mit einem Ventilator aufwendig kühlen würde, würde er so heiß wie eine 100-W-Glühbirne.

Wo liegen die Grenzen der Photolithographie?

Die Miniaturisierung mit herkömmlichen Herstellungsmethoden wie dem Belichten und Ätzen von Siliciumscheiben endet dann, wenn die von den Lichtstrahlen herrührenden optischen Effekte, etwa Brechung oder Beugung, so groß werden wie die Leiterbahnen, die hergestellt werden sollen. Beim Einsatz von Röntgenstrahlen dürfte dies im Bereich einiger Nanometer (10–9 m) der Fall sein. Daher werden bereits heute neue, ganz andere Herstellungsverfahren gesucht.

Wozu dient das LIGA-Verfahren?

Zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen auf einem Halbleiterchip. Das noch junge Verfahren, dessen Abkürzung für die Prozessschritte »Lithographie, Galvanik, Abformung«, steht, ermöglicht den Ingenieuren den Sprung in die dritte Dimension. Statt wie bisher nur flächige Strukturen aus den Wafern herauszuarbeiten, sind ihnen nun fast beliebig geformte räumliche Elemente in den Mikrosystemen möglich: Bögen und Verengungen, Hohlräume und Stege oder winzige Elektromotoren samt Getriebe.

Wussten Sie, dass …

man mit Licht emittierenden Dioden (LEDs) sehr leuchtkräftige Lampen bauen kann? Mittlerweile existieren LEDs für alle Farben. Immer häufiger werden sie auch als langlebiger und Strom sparender Ersatz für Glühbirnen (z. B. in Taschenlampen, im Auto oder am Fahrrad) verwendet.

so genannte Piezo-Kristalle eine elektrische Spannung erzeugen, wenn man sie drückt? Sie werden z. B. in Feuerzeugen eingesetzt. Auch die Umkehrung ist möglich: Legt man an einen solchen Kristall eine Spannung, so verformt er sich und kann als »Mikromotor« fungieren.

es sogar noch kleiner geht als in der Mikrotechnik? Die noch junge Nanotechnologie erforscht Systeme, deren Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern (Tausendstel Mikrometern) liegen.

Internet: Auf der Datenautobahn

Was ist das »Internet«?

Ein dezentrales Netzwerk aus miteinander verbundenen Computernetzen, weshalb es auch das »Netz der Netze« genannt wird. Manchmal meint man mit dem Begriff nicht nur die Einrichtungen zur Datenübertragung, sondern auch die übertragenen Inhalte. Häufig verwechselt wird das Internet mit einer seiner Darstellungsformen, dem World Wide Web (WWW).

Die mittlerweile fast unzähligen Verbindungen im Internet bestehen aus speziellen Datenkabeln, Telefonleitungen oder Funk- bzw. Satellitenverbindungen. Dabei ist keineswegs jeder Rechner mit jedem anderen durch eine eigene Leitung verbunden. Stattdessen gibt es Teilnetze, die ringartig, sternförmig oder auch scheinbar ganz ungeordnet aufgebaut sind. Zwischen diesen Netzen vermitteln leistungsstarke Übertragungseinrichtungen den immer stärker anwachsenden Datenverkehr. In der Regel gibt es viele verschiedene Wege, über die ein Rechner über das Internet mit einem anderen Daten austauschen kann – dies macht die Stärke des Netzes aus: es ist fast unzerstörbar, da der Ausfall eines Teils seiner Leitungen problemlos durch Ausweichen auf andere Übertragungswege wettgemacht werden kann.

Übrigens: Das Internet hat keine »Leitzentrale«. Stattdessen trägt jede Nachricht die »IP-Adressen« (IP steht für Internet-Protokoll) von Absender und Adressat und wird an sog. Knotenpunkten weitergeleitet. Die Vergabe dieser Adressen überwacht die in Kalifornien ansässige Organisation ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers).

Welche Internetdienste gibt es?

Die Spanne reicht von reinen Datensammlungen für Wissenschaft und Verwaltung bis hin zu direkter Kommunikation von Mensch zu Mensch in Bild und Ton.

Die bekanntesten Dienste des Internets sind E-Mail (elektronische Post) und das World Wide Web (WWW). Letzteres – genauer das Protokoll, das ihm zugrunde liegt– ermöglicht einen einfachen und anschaulichen Zugriff auf beliebige Inhalte, die irgendwo auf der Welt in mit dem Internet verbundenen Computern auf diese Weise abgelegt wurden. Vor allem in der Wissenschaft verbreitet ist ein reiner Datenübertragungsdienst, den man als FTP (File-Transfer-Protokoll) bezeichnet.

Eine weitere weit verbreitete Kommunikationsform sind Chats (»Schnattereien«) bzw. Chat-Rooms. In diesen virtuellen Konversationsräumen können sich viele angemeldete Nutzer gleichzeitig miteinander »unterhalten«. Die Bereiche sind oft an ein bestimmtes Thema gebunden und werden dann auch Foren genannt. Die getippten Beiträge der Gesprächspartner erscheinen nahezu in Echtzeit auf dem eigenen Bildschirm.

Mit der stetigen Erhöhung der Datenraten ist die Übertragung von audiovisuellen Informationen immer wichtiger geworden. Dies ermöglicht nicht nur den Versand von Musik- und Videodateien, sondern auch das Abhalten von Videokonferenzen. Videokameras, Mikrofone und Lautsprecher übertragen dabei Bild und Ton zwischen Teilnehmern, die sich auf verschiedenen Kontinenten befinden. Gleichwohl haben sich die Hoffnungen der Wirtschaft, teure Dienstreisen abzuschaffen, nicht vollständig erfüllt – der direkte Kontakt von Mensch zu Mensch ist bei vielen Gelegenheiten auch durch ausgefeilte Technik nicht zu ersetzen. Eine weitere Anwendung sind sog. virtuelle Universitäten sowie das immer beliebtere Telefonieren über das Internet (»Voice over IP«).

Was ist Hypertext?

Vereinfacht gesagt Text, der mit Links (Sprungmarken) zu anderen Stellen im selben Dokument versehen ist – oder auch in anderen Dateien, die auf weit entfernten Rechnern abgelegt sein können. Der Standard HTTP, nach dem solchermaßen aufbereitete Texte über das Netz versendet werden können, liegt dem sog. World Wide Web (WWW) zugrunde, das für viele zum Synonym für das Internet geworden ist. Tatsächlich steht es aber nur für eine Technologie, welche die Übermittlung von Hypertext und allgemeiner »Hypermedia« von Rechner zu Rechner ermöglicht. Zur Anzeige der Inhalte wird ein besonderes Programm benötigt, der Browser (von engl. »to browse«, »blättern«).

Übrigens: Die Links in einem Hypertextdokument schaffen nicht nur Verbindungen zwischen verschiedenen Textstellen. Sie können auch Bilder, Töne und generell alle Arten von Informationen miteinander verbinden, die digital gespeichert werden können. Dies schafft unzählige Möglichkeiten für sog. Multimediadokumente, wobei es dem Nutzer überlassen bleibt, wie viel Information er »anklickt«. Diese unkomplizierte Art der Verknüpfung hat dem World Wide Web, dem »weltweiten (Spinnen-)Netz« seinen Namen gegeben.

Wie finde ich Informationen im Netz?

Es gibt kein zentrales Inhaltsverzeichnis im Internet, daher geht eine Recherche am schnellsten mithilfe eines Suchdienst oder Suchmaschine genannten Programms.

Suchmaschinen sind über das Internet zugängliche Computersysteme, die den Inhalt von möglichst vielen Internetseiten durchsuchen und in einer eigenen Datenbank ablegen. Sucht man als Benutzer Informationen zu einem bestimmten Gebiet, so gibt man auf der Homepage der Suchmaschine eine Reihe von Begriffen in eine Abfragemaske ein, welche die Frage möglichst gut umschreiben. Bei manchen Suchmaschinen ist auch die Eingabe eines normalen Satzes möglich, da Füllworte ignoriert werden. Die Datenbank gibt dann eine Liste von Web-Dokumenten an, in denen die Suchbegriffe vorkommen; durch einen Klick auf die Einträge dieser Liste kann man diese Seiten dann aufrufen. Die mit Abstand größte und bekannteste Suchmaschine ist die der US-amerikanischen Firma Google, welche über einen ausgeklügelten Algorithmus besonders häufig zitierte (und deshalb vermutlich auch ergiebigere) Fundstellen an die Spitze der Fundliste setzt.

Was ist barrierefreies Internet?

Internetseiten, deren Inhalte problemlos auch für Behinderte umgesetzt werden können, z. B. in gesprochene Worte. Zusatzinformationen und Werbeeinblendungen (»Pop-ups«) stören dort sehr, sie bilden Barrieren wie Treppenstufen für einen Rollstuhlfahrer.

Niemand soll durch technische Barrieren von der Benutzung des Internets ausgeschlossen werden. Zwar gibt es für Menschen mit Behinderungen (z. B. Blinde oder Schwerstgelähmte), aber auch für ältere Menschen mit motorischen Schwierigkeiten technische Hilfsmittel (z. B. Programme, die den Inhalt einer Website vorlesen); damit sie aber nutzbar sind, müssen bestimmte Standards in der Programmierung eingehalten werden. So dürfen die Informationen nicht ausschließlich in Bildern enthalten sein und auf der Seite müssen sich kodierte Bildbeschreibungen befinden, die das Vorleseprogramm ausgeben kann).

Die Einhaltung dieser Standards ist für das Internetangebot öffentlicher Stellen mit dem Bundesgleichstellungsgesetz vorgeschrieben; die letzten Übergangsfristen sind Ende 2005 abgelaufen. Barrierefreie Internetseiten kommen aber nicht nur Behinderten zugute, sondern erhöhen den Bedienkomfort auch für die anderen Nutzer.

Was bieten Onlineshops?

Ein Onlineshop ist eine Sonderform des Versandhandels, bei der der Kontakt zwischen Verkäufer und Käufer durch das Internet hergestellt wird. Der Vorteil für den Kunden liegt darin, dass er auf der Website des Anbieters rund um die Uhr das jeweils verfügbare Angebot einsehen und bestellen kann. Auch die Suchmöglichkeiten anhand bestimmter Kriterien sind besser als im Ladenverkauf oder im »klassischen« Versandhandel mit Katalog.

Was ist ein Computervirus?

Meistens ein kleines Programm, das mithilfe anderer Programme (oder Daten) in einen Computer eingeschleust wird. Viren haben unterschiedliche Aufgaben. Manche sollen einen Computer lahmlegen, andere sollen die dort gespeicherten Daten zerstören, wieder andere sollen dort gespeicherte vertrauliche Daten ausspionieren, etwa Zugangscodes oder Bankinformationen. Je nach Art ihres Verhaltens unterscheidet man u. a. Viren, Würmer oder Trojaner. Viren sind immer an ein bestimmtes Programm als »Wirt« gebunden, mit dessen Hilfe sie sich weiterverbreiten. Im Gegensatz dazu sind Würmer selbstständige Programme. Der Transport erfolgt meist per E-Mail oder Download. Ein Trojanisches Pferd ist ein scheinbar harmloses Programm, das in Wirklichkeit Viren verbreitet oder gespeicherte Daten ausspioniert, etwa Kontonummern. Mit solchen Programmen kann der eigene Computer fast unbemerkt zum Ausgangspunkt weiterer Angriffe gemacht werden und beispielsweise an einem massenhaften Angriff auf einen bestimmten Server teilnehmen.

Wussten Sie, dass …

es »Benimmregeln« für die Kommunikation via Internet gibt? Sie werden mit dem Kunstwort »Netiquette« (aus »Net« und »Etiquette«) bezeichnet.

eine häufige Art zur Weiterverbreitung von Viren der Versand von E-Mails mit Anhängen ist? Man sollte daher niemals den Anhang einer E-Mail öffnen, wenn man den Absender nicht kennt oder einem etwas merkwürdig erscheint.

im Jahr 2005 über 80 % der Berufstätigen, und immerhin 37 % der Ruheständler von zuhause aus Zugang zum Internet hatten? Bei Schülern lag der Anteil sogar bei 89 %.

ein Breitbandanschluss zur selben Zeit nur in 22 % aller Haushalte vorhanden war, aber in über 40 % der Haushalte mit Kindern?

Wie entstand das Internet?

Vorläufer des Internet war das vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium ins Leben gerufene ARPAnet, das Forschungseinrichtungen miteinander verband. 1973 wurden die Übertragungswege standardisiert, seitdem gibt es die Bezeichnung »Internet«. Wurde das Netz bis in die 1980er zunächst überwiegend in Forschung und Wissenschaft genutzt, ermöglichte Anfang der 1990er das grafisch orientierte Übertragungsprotokoll HTTP (Hypertext Transfer Protocol) die Weiterentwicklung zum WWW (World Wide Web) und damit zu einer stärkeren privaten Nutzung des Internets.

Wussten Sie, dass …

»Webseite« und »Website« nicht das Gleiche sind? Eine Website ist ein Ort im Internet, also gewöhnlich ein bestimmter Rechner. Eine Webseite dagegen ist ein Dokument, das zusammen mit anderen auf einer Website abgelegt ist.

im Archiv von Google mehr Dateien gespeichert sind als es Menschen auf der Erde gibt?

man bei Computern »der« Virus sagt, in der Medizin dagegen »das«?

Wie ist eine Adresse im Internet aufgebaut?

Die Internet-Adresse eines Rechners – und damit auch der darauf befindlichen Internetseiten bzw. -dienste – ist eine mehrstellige Nummer, z. B. 255.001.268.13. Solche Nummern kann sich niemand merken, daher werden sie mit Namen verknüpft, z. B. »www.ebay.de«. Sie bestehen meist aus einem Kürzel für einen Teilbereich des Internets (www), einem eindeutigen Namen, in dem nur wenige Sonderzeichen (etwa Bindestriche) zugelassen sind, sowie einem zwingend vorgeschriebenen Kennzeichner, der die Rubrik, zu der die Seiten gehören (etwa .info) oder das Land, in dem sie lagern, kennzeichnet (.de). Nationale und internationale Gremien sorgen dafür, dass diese Namen immer eindeutig sind.

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