De golven van onze draadloze toekomst

• Golven ter grootte van een bacterie 
  [400 - 1400 nm / 750 - 215 THz]
   
• Golven ter grootte van een regendruppel
  [0.03 - 3 mm / 10 THz - 100 GHz]
   
• Golven ter grootte van een koffieboon
  [4 - 11 mm / 80 - 26 GHz]
   
• Golven ter grootte van een mier tot blauwe vinvis
  [5 mm - 23 m / 60 GHz - 13 MHz]
   
• Golven ter grootte van een voetbalveld
  [10 - 100 m / 30 - 3 MHz]

Verlicht je wifi

Tot nu toe is onze draadloze wereld gebouwd op radiogolven. Maar voor hoe lang nog? “Er komt een omslagpunt aan”, zegt Jean-Paul Linnartz, TU/e-hoogleraar Signal Processing Systems en Research Fellow bij het bedrijf Signify. “Met radiogolven komen we nog een eind, met 5G en verder, maar kijkend naar de extreme capaciteit die gevraagd zal gaan worden in bijvoorbeeld virtual reality of online gaming kun je uiteindelijk niet om licht heen.”

Een belangrijk voordeel van licht is de betrouwbaarheid en lagere storingsgevoeligheid dan onze huidige WiFi. Licht gaat bijvoorbeeld niet door muren heen, waardoor het extra veilig is geen last heeft van verstoringen van buiten. Dat het nergens doorheen gaat, is direct ook een grote uitdaging. “Je hand ervoor en het signaal is weg, dat wordt vaak als belangrijk nadeel gezien”, zegt Linnartz. Daarom werkt hij aan zogeheten MIMO-systemen, die met meerdere LEDs in het plafond vanuit verschillende richtingen tegelijkertijd signalen sturen aan iedere gebruiker. Mocht een van die parallelle data stromen onderbroken worden, dan blijft er altijd nog ruim voldoende capaciteit over.

Linnartz werkt ook aan intelligente verlichtingssystemen. Hij ziet hiervoor een uitstekende basis voor het Internet of Things (IoT) waarbij een groeiend aantal draadloze apparaten per ruimte met elkaar in verbinding kan staan. In het Europese Horizon 2020 project ELIoT, dat Linnartz leidt, werkt hij aan de benodigde infrastructuur dat als basis voor zo’n IoT kan dienen, zoals de LEDs en fotodiodes in het plafond en chips die de lichtsignalen kunnen verwerken.

Waar Linnartz zich richt op het gebruik van alom beschikbare LEDs, verkiest zijn collega Ton Koonenhet gebruik van lasers. Met golflengtes van meer dan 1400 nanometer zijn deze signalen toch niet schadelijk voor het oog. Koonen realiseerde al duizelingwekkende snelheden van 112 Gbps, een tweeduizend keer grotere capaciteit dan met onze huidige Wifi-systemen mogelijk is. Zijn aanpak is vergelijkbaar als bij Linnartz, door gebruik te maken van bestuurbare, smalle laserbundels die grote hoeveelheden gegevens op een energie-efficiënte en veilige manier naar de apparaten van de gebruiker sturen.

HET GAT DICHTEN TUSSEN ELEKTRONICA EN OPTICA

Het deel van het elektromagnetisch spectrum tussen 100 GHz en 10 GHz is grotendeels onontgonnen terrein. “Deze frequenties zijn eigenlijk te hoog voor elektronica en te laag voor bestaande optische technieken”,  zegt Marion Matters-Kammerer, hoogleraar THz circuits and systems bij TU/e. Aan de ene kant van de ‘kloof’ heb je de opto-elektronica, waarbij onder de 10 THz bij de wisselwerking tussen elektronen en fotonen dusdanig veel warmte ontstaat dat de benodigde koeling teveel kosten en gewicht met zich meebrengt. En aan de andere kant heb je halfgeleidersystemen die door hun pn-overgangen geen hogere snelheden dan 100 GHz mogelijk maken.

“Wij willen proberen vanuit de elektronica naar steeds hogere frequenties te gaan, om zo handzame terahertz-bronnen en detectors te maken”, zegt Matters-Kammerer. “De frequenties die we aankunnen met standaard chiptechnologie worden namelijk steeds hoger, en daarnaast gebruiken we zogeheten niet-lineaire componenten om tot nog hogere frequenties te komen.”

In het CWTe-lab experimenteren ze al met frequenties tot ongeveer een halve terahertz. De opstellingen bevatten veel spiegels en lenzen, componenten die ook worden gebruikt om laserlicht in goede banen te leiden. “De gelijkenis met optica is inderdaad groot”, zegt ze. “Dat vind ik ook zo mooi aan dit vakgebied; dat het elektronica en optica bij elkaar brengt. Zelf ben ik afgestudeerd in de laserfysica, dus voor mij zijn lenzen en spiegels bekend terrein.”

Zodra dit ‘Terahertz-terrein’ onder controle is. komen allerlei spannende toepassingen binnen bereik, zoals in medische beeldvormingstechnieken die net onder je huid kunnen kijken of in scanners voor kleding, verf of plastic om onzichtbare schade sneller te zien. Ook wordt naar fruit en planten gekeken, in samenwerking met Wageningen University, om bijvoorbeeld de rijpheid of verrotting beter in beeld te hebben.

SLIMME ANTENNES VOOR 6G

Ook al doet 5G nu al zijn intrede, de echte klapper komt pas in 2025, als de snelste vorm van 5G wordt geïntroduceerd die een factor 100 sneller is dan het huidige 4G, van 100 Megabit/s naar 10 Gigabit/s. “En in 2030 verwachten we de introductie van 6G, dat wederom een factor 100 sneller is, met één Terabit/s”, zegt Bart Smolders, hoogleraar telecommunicatie bij TU/e.

De groep van Smolders is wereldwijd voorloper op de ontwikkeling van de antennetechnologie die nodig is om de bloedsnelle netwerken van 5G en 6G mogelijk te maken. Deze werken met veel hogere frequenties – van 3,5 GHz voor het huidige 4G naar 26 GHz en hoger voor de snelste vorm van 5G en 6G. – en dat vraagt om totaal andere antennes en basisstations.

 “Op dit moment sturen 4G-antennes de informatie van iedereen tegelijkertijd naar iedereen. De capaciteit hiervan zit aan de grens van wat mogelijk is. Om naar 5G en hoger te kunnen hebben we daarom een geheel ander soort antennes nodig”, zegt Smolders. Deze ‘slimme antennes’ zijn de afgelopen jaren aan de TU/e ontwikkeld en worden gereed gemaakt voor de praktijk binnen het Europese subsidieproject MyWavevan 4 miljoen euro. Dit project is vorig jaar gestart, met daarin ook partners als Ericsson en NXP.

Van deze slimme antennes krijg je als gebruiker alleen de data die je zelf nodig hebt. Deze antennes kunnen zich dus richten zodat elke gebruiker zijn eigen bundel informatie krijgt, en dat gebeurt niet mechanisch zoals bij een schotelantenne, maar  elektronisch. “De antennes, met tientallen tot wel honderden verzameld in een array, zijn ieder voorzien van een eigen chip”, zegt Ulf Johannsen, die als onderzoeker aan deze antennes werkt. “Deze chip berekent zodanig vertraging in de verwerking van het signaal dat de kijkrichting elektronisch wordt aangepast.” Bijzonder daarbij is dat de antennes van de TU/e direct in de chip verwerkt worden. Deze integratie zorgt voor nog betere signaalsterkte en hogere datasnelheid.

TU/e richt zich niet alleen op de technologie voor consumentenproducten, maar ook voor basisstations. Hier worden nog hogere frequenties gebruikt, van 80 GHz. Binnen spinoff MaxWaves is de technologie ontwikkeld tot een demonstrator, de eerste stap naar een prototype. Afgelopen jaar werd op de TU/e met succes de eerste praktijktest volbracht.

ULTRAZUINIG SENSOREN

‘Meten is weten’, luidde het adagium van de beroemde Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Geen beter label past op de wildgroei aan sensoren die de wereld om ons heen monitoren en rapporteren, of het nu gaat om temperatuur, licht, luchtvochtigheid, gasconcentraties of afstand (zoals de parkeersensor in je auto). Ze vormen de basis van een groeiend (industrieel) Internet of Things (IoT), waarbij alles met elkaar in verbinding staat.

Binnen het CWTe van de TU/e is een onderzoekslijn opgezet die volledig draait om de ontwikkeling van alsmaar kleineremet elkaar communicerende chips en sensoren. Daarbij is de range aan frequenties vrij breed, vanwege de uiteenlopende randvoorwaarden van verschillende toepassingen.

Grote uitdaging is de energiebehoefte. “Als je IoT-sensoren heel klein kunt maken, worden ze haast onvermijdelijk ook goedkoop en wordt de drempel om er veel van te hebben ook erg laag”, zegt Peter Baltus, hoogleraar micro-elektronica. “Dat gaat prima, zolang je geen batterijen hoeft te vervangen.”

Om tot slimme, energiezuinige oplossingen te komen, is de kracht van de TU/e volgens Baltus om ongebruikelijke nieuwe concepten voor specifieke toepassingen te combineren, in nauwe samenwerking met de industrie. In tegenstelling tot bijvoorbeeld het evolutionair steeds verder uitknijpen van hetzelfde concept. Kijk bijvoorbeeld naar deze zwerm aan ‘slimme knikkers’, die in staat is leidingen op defecten te controleren en op termijn misschien ook het binnenste van een vulkaan of zelfs het menselijk lichaam kan onderzoeken.

Illustratief hiervoor is de twee millimeter kleine temperatuursensor van Baltus’ groep die zijn energie uit de straling van het draadloze netwerk haalt waarvan hij deel uitmaakt. Maar zie ook de sensoren met flexibele elektronica voor bijvoorbeeld temperatuurmetingen in voedselverpakkingen, of de zeer energiezuinige radarsensor (<1 mW) die op vijftien meter afstand iemands hartritme kan monitoren, voor gebruik in bijvoorbeeld slimme huistechnologie.

Er ligt ook een uitdaging en kans voor kunstmatige intelligentie. Netwerken met een hoge dichtheid moeten goed worden gecontroleerd om interferentie te verminderen, aangezien het zendbereik van een sensor het bereik van vele andere zal overlappen. "Het is alsof je veel mensen in één kamer hebt en ze willen allemaal praten", zegt George Exarchakos, die deze onderzoekslijn leidt. Tegelijkertijd is deze dichtheid ook een kans. "We bestuderen de rekenmogelijkheden van draadloze netwerken met hoge dichtheid, waarbij elk apparaat onderdeel uitmaakt van een groot neuraal netwerk. Stel je de mogelijkheden voor als onze sensornetwerken niet alleen gegevens creëren en opsturen naar clouds, maar ook als processor dienen. We zouden het tijdperk van pervasive computing echt kunnen naderen."

DE ‘DARK AGES’ VAN HET UNIVERSUM ONTHULD

Van de beginperiode van het heelal, tot ongeveer vierhonderd miljoen jaar na de oerknal, weten we nog steeds heel weinig. Wat we wel weten van deze zogenaamde Dark agesis dat het universum immens heet moet zijn geweest en dat er veel warmtestraling is vrijgekomen toen deeltjes met elkaar in botsing kwamen. Tegenwoordig kunnen we deze straling zien in de vorm van radiogolven, omdat naarmate het heelal zich heeft uitgebreid, de golven massaal tot tientallen meters lang zijn uitgerekt.

Het detecteren van deze ultralange golven op aarde is beperkt vanwege het beschermende effect van de ionosfeer, maar ook vanwege de verstorende impact van door mensen gegenereerde radiosignalen. Volgens Mark Bentum, hoogleraar Radio Science aan de TU/e, zou een in de ruimte of maan geplaatst radio array voor signalen met ultralage frequentie (ook wel ultralong wavelengeth, of ULW genoemd) significant minder last hebben van deze beperkingen. Dat zou tevens het laatste, vrijwel onontgonnen frequentiedomein in het elektromagnetische spectrum, beschikbaar maken.

Samen met andere astronomen en onderzoekers voorziet Bentum een ​​in de ruimte zwevende ultralagefrequentieradiotelescoop, genaamd OLFAR (Orbiting Low Frequency Antennas for Radio Astronomy), bestaande uit een zwerm nanosatellieten uitgerust met antennes van 5 meter lang. Een grote uitdaging van Bentum is om een ​​manier te vinden om deze dingen te laten passen in een kleine nanosatelliet tijdens de lancering, waarna ze ‘uitvouwen’ als ze in de ruimte op de bestemming aankomen.

Bentum werkt nauw samen met het Radio Lab van de Radboud Universiteit (RU). Beide instituten hebben vorig jaar het Centre for Astronomical Instrumentation (CAI) opgericht om astronomische apparaten te ontwikkelen tegen de grenzen van de technologische mogelijkheden. In samenwerking met gerenommeerde instellingen als ASTRON, SRON en NOVA hoopt CAI bij te dragen aan de internationale positie van de Nederlandse astronomie in domeinen als radio-, optische en gravitatiegolf-astronomie en in technologische innovatie voor ruimtevaart.