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Revolutionäre Strahlung: Terahertzwellen und ihre Anwendungen

Heute gehören sie an Flughäfen längst zum Alltag: Körperscanner auf Basis von Terahertzstrahlung. Kaum zu glauben, dass diese Technologie erst vor zehn Jahren - am 27. September 2010 – in Deutschland Premiere feierte. Statt Metalldetektoren und Abtasten zur Sicherheitsüberprüfung durchdringen nun Terahertzwellen mühelos die Kleidung der Passagiere. Doch die Terahertz-Technologie wird längst auch in weiteren Gebieten eingesetzt.

 Terahertz-Körperscanner von Rohde & Schwarz im Flughafen Köln/Bonn
Körperscanner, die mit Terahertzwellen arbeiten, kommen inzwischen weltweit bei der Sicherheitskontrolle an Flughäfen von zum Einsatz.
Terahertzstrahlung ist elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen. Ihre Wellenlänge ist größer als ein Zehntel Millimeter und kleiner als ein Millimeter. Die Strahlen durchleuchten mühelos Kleidung, Plastik, Papier oder dünnes Holz. Treffen sie dagegen beispielsweise auf metallische Objekte, werden sie je nach Materialdichte unterschiedlich stark reflektiert. Terahertzstrahlung ist aber auch Teil der natürlichen Wärmestrahlung: Sogar unser Körper gibt zusammen mit der Infrarotstrahlung winzige Anteile dieser Strahlen über die Hautoberfläche ab.

Strahlung deckt nackte Tatsachen auf

Die meisten kennen die Terahertzstrahlung vom Flughafen: Sie kommt dort inzwischen weltweit  bei der Sicherheitskontrolle mithilfe von Körperscannern zum Einsatz. Die Scanner durchleuchten die Passagiere schneller als Metalldetektoren und bringen sogar Flüssigkeiten und Pulver unter der Kleidung zum Vorschein. Dadurch wird das Abtasten von Personen weitgehend überflüssig und Sicherheitskontrollen können meist schneller ablaufen.

Die Körperscanner am Flughafen bestrahlen die Passagiere mit Terahertz-Wellen, die von unserem Körper teilweise reflektiert werden. Weil versteckte Gegenstände unter unserer Kleidung eine andere Dichte haben als das Körpergewebe, reflektieren sie mehr Strahlung. Aufgefangen von empfindlichen Sensoren, werden diese Objekte als Bild auf einem Monitor sichtbar.

Der Monitor des Scanners zeigt an Stellen, an denen Gegenstände versteckt sind, bunte Markierungen an. Weil anhand der Markierungen allein meist nicht zu erkennen ist, um was es sich genau handelt, tastet das Sicherheitspersonal in einem solchen Fall die auffälligen Stellen ab. So spürt das Personal mithilfe der Vorarbeit des Scanners versteckte Gegenstände wie Waffen oder Sprengstoff auf. Scanner, die nach diesem Prinzip arbeiten, nennen sich aktive Systeme.

Für andere Einsatzgebiete gibt es allerdings auch Scanner, die nur die vom Menschen selbst abgegebene Strahlung messen. Das reicht dann beispielsweise aus, um zu erkennen ob sich Personen in einem geschlossenen Transporter aufhalten. Diese nennt man dann passive Systeme.

Gesundheitlich unbedenklich

Aber warum eignet sich diese Strahlung so gut? „Terahertzstrahlung ist für den Menschen unschädlich“, sagt Elmar Wagner vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Kaiserslautern. Obwohl die Terahertz-Strahlen auf den ersten Blick ähnlich wirken wie die gesundheitsschädlichen Röntgenstrahlen, sind sie auch nach Angaben des Bundesamtes für Strahlenschutz für den Körper unbedenklich.

Der Grund: Terahertzstrahlung ist langwellig und hat eine vergleichsweise geringe Intensität. Im Gegensatz zur energiereichen kurzwelligen Röntgenstrahlung ist sie daher nicht ionisierend. Das heißt, sie können keine Elektronen aus Atomen oder Molekülen unseres Körpers herausschlagen und richten daher keine Schäden in den Zellen und am Erbgut an. Die Energie der Terahertzwellen reicht gerade dazu aus, um die Moleküle an der Körperoberfläche in Schwingung zu versetzen. Das unterscheidet die Terahertzwellen grundsätzlich von Röntgen- oder radioaktiver Strahlung.

Terahertzstrahlung im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen
Einordnung der Terahertzstrahlung im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen.

Details bleiben unentdeckt

 Als erster Airport führte der Flughafen Schiphol in Amsterdam den Körperscanner am 31. Dezember 2009 ein. Die neue Technologie wurde bald darauf international: Im Herbst 2010 waren in den Vereinigten Staaten bereits mehr als 310 Geräte im Einsatz. Und auch Deutschland zog nach: Am 27. September 2010 begann ein Praxistest auf dem Flughafen Hamburg, bei dem Freiwillige die neue Sicherheitsüberprüfung ausprobierten. Seit 2014 setzt der Flughafen weiterentwickelte Körperscanner auch im Normalbetrieb ein. Ebenfalls 2014 beschlossen die Behörden dann aufgrund der positiven Erfahrungen die flächendeckende Einführung der neuen Technologie und inzwischen sind Körperscanne Alltag an deutschen Flughäfen.

Ersten Bedenken um die Intimsphäre durchleuchteter Personen wurde nach den Testphasen entgegengewirkt:  Die Körperscanner sind theoretisch in der Lage, unseren Körper sehr detailgetreu abzubilden. In der Praxis sind die Systeme aber bewusst so programmiert, dass sie Menschen nur als Piktogramme – wie eine Art Strichmännchen -  darstellen. Deswegen müssen zum Beispiel Passagiere am Flughafen auch nicht befürchten, dass das Sicherheitspersonal auf dem Bildschirm intime Details unseres Körpers sieht. Die Daten werden außerdem sofort wieder gelöscht.

In Deutschland können Reisende sogar ablehnen, vom Körperscanner durchleuchtet zu werden. Dann kontrolliert das Personal wie früher üblich per Abtasten. In anderen Ländern ist ein Ablehnen des Scans aber nicht unbedingt möglich.

Doch es gibt auch eine Schwachstelle: Die Tatsache, dass Wasser die Terahertzstrahlen absorbiert, stellt die Körperscanner-Technik vor ein Problem. Wenn eine Person sehr stark schwitzt oder vor dem Sicherheitscheck in einen Regenschauer geraten ist, kann man ihr nicht mehr virtuell unter die Kleidung schauen. Zudem kann der Scanner keine Körperöffnungen, wie die Mundhöhle oder Bereiche zwischen starken Falten abbilden. Gegenstände, die an diesen Stellen versteckt werden, bleiben also unentdeckt.

Displays eines Körperscanners der Flughafensicherheit
Anders als herkömmliche Metalldetektoren erkennen Terahertz-Scanner auch Flüssigkeiten oder Pulver unter unserer Kleidung.

Nützlich auch bei Mumien und Materialien

Forscher der Universitäten Freiburg und Zürich haben die Strahlung  auch in einem ganz anderen Bereich eingesetzt. Sie entwickelten einen Terahertzscanner für Mumienteile. Viel schonender als mit Röntgenstrahlung konnten sie so zerstörungsfrei in das Innere einer 3.000 Jahre alten mumifizierten Hand schauen. Ihr Terahertz-Blick drang sogar bis auf die Knochen. Mit den Wellen lassen sich auch Amulette oder Waffen durch die Bandagen einer noch komplett einbalsamierten Mumie erkennen.

Und die Strahlung gewährt auch Einblicke in technische Materialien: „Mit Terahertzwellen sehen wir andere Dinge als im sichtbaren Licht oder im nahen Infrarot oder im Röntgenbereich“, sagt der Fraunhofer-Forscher Elmar Wagner. Zuverlässig und ohne Zerstörungen anzurichten, kann der Zustand von trockenem Mauerwerk oder die Anordnung von Waren in einer Verpackung geprüft werden. Sie werden auch genutzt, um beispielsweise geschlossene Briefe oder Päckchen zu kontrollieren. Scanner analysieren in diesem Fall, ob sich in der Post Sprengstoff oder Drogen befinden.

Selbst für Arzneien, die sich bereits im Handel befinden, können die Terahertzwellen, nützlich sein. Durch die Packung hindurch liefern die reflektierten Wellen Hinweise auf die enthaltenen Substanzen und Hilfsstoffe. „Fälschungen können damit enttarnt werden“, sagt Wagner.

Mumie Ramses I. im  Luxor Museum, Ägypten
Weil Mumien nahezu wasserfrei sind, kann Terahertz-Strahlung weit unter die Haut und sogar durch den Körper hindurchstrahlen. Im Gegensatz zum Röntgenstrahlung sind die Submillimeterwellen jedoch „nicht-ionisierend“ und damit für das Mumiengewebe schonender.

Auch zum Kampf gegen Parasiten

Inzwischen kommen Terahertz-Scanner aber nicht mehr nur für die Personen- oder Warenkontrolle zum Einsatz. Die Technologie soll sogar die Forstwirtschaft vereinfachen: Um dem zunehmenden Befall von Holzschädlingen wie dem Borkenkäfer in Waldbeständen den Kampf anzusagen, entwickelten Forscher eine neue Technologie: Mithilfe eines tragbaren Terahertz-Scanners können Förster die kleinen Parasiten schnell und mit wenig Aufwand aufspüren.

Bisher waren Terahertz-Scans von Holz nur bei flachen Brettern oder Platten möglich. Kristi Krügener von der Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) und ihr Team entwickelten nun einen Scanner, der dank eines schwenkbaren Signal- und Empfangskopfes auch runde und unregelmäßig geformte Objekte hochaufgelöst abtastet.

Der große Vorteil: „Die Tiefenauflösung solcher Terahertz-Messungen ist höher als die herkömmlicher Röntgentechniken und vergleichbar mit der von Mikro-Tomografen“, erklärt Krügener. Die Bohrgänge der Käfer werfen mehr Strahlung zurück und werden so punktuell sichtbar. „Die einzelnen Reflexionsmuster können dann genutzt werden, um die innere Struktur des befallenen Holzes abzubilden“, so die Forscherin.

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)
Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile: Im Millimeter- und Submillimeter-Licht werden Dinge sichtbar, die in der Astronomie bisher ein Schattendasein fristeten. Dazu zählt zum Beispiel der im Kosmos allgegenwärtige Staub.

Möglichkeit zur schnellen Datenübertragung

Aber Terahertzstrahlung kann nicht nur Menschen und Objekte durchleuchten, sie ermöglicht auch eine schnelle kabellose Datenübertragung. 2017 erzielten Forscher mit Terahertzstrahlung bereits einen Rekordwert der kabellosen Übertragung von 100 Gigabit pro Sekunde. Das bedeutet eine fünf- bis zehnfache Steigerung der Übertragungskapazität gegenüber bestehenden Funktechnologien.

Forscher des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts belegten zudem in einem Experiment die erste Echtzeit-Übertragung eines 4K-Videos mittels Terahertzwellen. Die Datenrate erreichte dabei ebenfalls 100 Gigabit pro Sekunde – wesentlich mehr als mit aktueller 4G- und 5G-Mobilfunktechnik. Die Strahlung nutzt Frequenzen oberhalb von 300 Gigahertz und damit kürzere Wellenlängen als der herkömmliche Mobilfunk – das ermöglicht höhere Datenraten.

Noch ist die Reichweite zwar begrenzt, die Forscher erwarten aber, dass über kurze Distanzen Datenraten von 400 Gigabits pro Sekunde übertragbar sind. Mögliche Anwendungen für die Terahertz-Übertragung sehen die Forscher unter anderem als Ersatz für das Internet per Kabel oder Glasfaser. Auch die kabellose Anbindung von Nutzern im ländlichen Raum könnte künftig mittels Terahertz-Übertragung möglich werden, so die Wissenschaftler.

ABO, 25.09.2020
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