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Eine Technologie mit großem Zukunftspotential

Terahertz-Wellen auf dem Weg vom Forschungslabor in die Industrie

11. April 2012, 15:43 Uhr | Nicole Wörner

Auch wenn die Terahertz-Technologie bereits seit Jahren erforscht wird und man schon eine ganze Reihe interessanter Anwendungen sieht, steht sie doch noch relativ am Anfang ihres Markteintritts. Der Knackpunkt war bislang das Fehlen entsprechend leistungsfähiger Sender und Empfänger, die dazu noch kompakt und erschwinglich sein müssen. Doch es kommt Bewegung in den Markt.

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Terahertzwellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Mikrowellen- und der Infrarotstrahlung im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 10 THz (= 10.000 GHz) bzw. bei Wellenlängen von 3 mm bis 30 µm. Im unteren Frequenzbereich werden sie oft auch als Millimeterwellen bezeichnet. Sie durchdringen die meisten elektrisch nicht-leitenden Materialien wie etwa Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Schaumstoffe und die meisten Keramiken, was sie wiederum für vielfältige Einsatzgebiete zum Beispiel in der Sicherheitstechnik sowie für die Qualitätssicherung und Materialprüfung prädestiniert. Leitende Materialien wie Metalle oder wasserhaltige, z.B. biologische, Gewebe jedoch reflektieren oder absorbieren die THz-Strahlung. Weil die Terahertz-Strahlung – im Gegensatz zur hochenergetischen Röntgenstrahlung - sehr energiearm ist und nicht ionisierend wirkt, ist sie für den menschlichen Organismus nicht gefährlich oder schädlich. Diese Unbedenklichkeit haben unter anderem auch das Bundesamt für Strahlenschutz und die Physikalisch Technische Bundesanstalt untersucht.

In der Vergangenheit sprach man oft von der »Terahertz-Lücke« im elektromagnetischen Spektrum, weil es für den Bereich zwischen Mikrowelle und Infrarot lange Zeit keine entsprechend leistungsfähigen Sender und Empfänger gab. Zwar haben die Entwickler in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte erzielt, so dass heute auch kommerzielle THz-Systeme verfügbar sind, dennoch sind kompakte und kostengünstige Sender mit ausreichender Ausgangsleistung immer noch rar, und auch an der Empfindlichkeit der Empfänger wird weiterhin gearbeitet. Zu den Vorreitern in Deutschland gehört traditionell das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, das darüber hinaus auch das Terahertz-Anwendungszentrum »TeraTec« betreibt. Einen Durchbruch hinsichtlich der Emission und der Miniaturisierung von THz-Quellen hat just die TU Darmstadt erzielt, aber auch Forscher an der Uni Marburg und der TU Wien können zum Teil erstaunliche Forschungsergebnisse vorweisen.

THz-Strahlung und ihre Vorteile

Terahertz-Wellen vereinen die Vorteile der sie umgebenden Spektralbereiche. Während die langwelligen Mikrowellen zwar meist tief in dielektrische Strukturen wie Kunststoffe, Keramik und Faserverbundstoffe eindringen können, sind sie jedoch hinsichtlich ihres räumlichen Auflösungsvermögens auf den Zentimeterbereich begrenzt. Die kurzwelligeren Infrarotwellen könnten zwar eine Auflösung im Bereich einiger zehn Mikrometer liefern, aber diese können - wie auch sichtbares Licht - in die meisten Materialien nicht hineinsehen.

Die THz-Strahlung vereint nun die hohe Durchdringung dielektrischer Materialien mit einer Auflösung im (Sub-)Millimeterbereich und bietet sich damit zum Beispiel für Anwendungen rund um die Prozess- und Qualitätskontrolle sowie im Sicherheitsbereich an. Hier spielt sie – vor allem im Vergleich zu Röntgeninspektionssystemen – einen weiteren Vorteil aus: Sie ist aufgrund ihrer energiearmen und nicht-ionisierenden Strahlung für den Bediener des Systems ungefährlich – damit erübrigen sich aufwändige Strahlenschutzmaßnahmen.

Einsatzgebiete

Die Einsatzgebiete für THz-Strahlung sind vielfältig. Die wohl bekannteste – wenn auch umstrittenste – Anwendung ist der so genannte »Personenscanner«, der bereits an einigen deutschen Flughäfen getestet wird. Dabei durchdringen die Strahlen die Kleidung und lassen dieses quasi durchsichtig erscheinen. Deutlich sichtbar hingegen werden Dinge, die der Mensch am Körper trägt. Entsprechend wären zum Beispiel Waffen, Plastiksprengstoffe oder andere gefährliche Gegenstände deutlich zu sehen.

In der Qualitätssicherung und der zerstörungsfreien Materialprüfung können THz-Bilder die herkömmlichen optischen und Röntgen-Inspektionssysteme ergänzen. Es lassen sich Defekte im Inneren eines Körpers – etwa des Rotorflügels einer Windkraftanlage – sichtbar machen und vermessen.

Langfristig werden die THz-Wellen ein weiteres Einsatzgebiet erobern: die Kommunikation. Vor allem mit Blick auf den stetig steigenden Bedarf an Bandbreite wird man in der Zukunft wohl auch auf die Terahertz-Frequenzen zurückgreifen. Allerdings beschränkt sich dies dann auf die Indoor- bzw. Sichtweiten-Kommunikation, weil die THz-Wellen nicht durch dicke Wände durchdringen können. Bis es soweit ist, werden allerdings noch einige Jahre ins Land gehen.