1945 wurde eine handgeschnitzte hölzerne Kopie des Großen Siegels der Vereinigten Staaten in das Arbeitszimmer des US-Botschafters in der Sowjetunion gehängt. Die Detaillierung war bemerkenswert - jede Feder auf den Flügeln des Adlers war zart gezeichnet, der Schnabel gerade so gebogen. Aber das hat das Stück nicht verblüffend gemacht.
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Es war auch ein Fehler.
Das Siegel wurde dem Botschafter als friedliche Geste von einer Delegation der Young Pioneer Organization der Sowjetunion überreicht. Aber in der kunstvollen Arbeit, direkt unter dem Schnabel des Vogels, steckte ein Abhörgerät. Es hatte keine Batterie oder aktive Elektronik, so dass es praktisch nicht nachweisbar war. Tatsächlich wurde es sieben Jahre lang nicht gefunden.
Jetzt nutzt ein Forscherteam der University of Washington in Seattle eine ähnliche Technologie für einen ebenso erstaunlichen, aber weniger verdeckten Betrieb: batterielose Mobiltelefone.
Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass das Design jemals unsere stromhungrigen Smartphones ersetzen wird, hat die Technologie das Versprechen, im Notfall zu helfen. "Nehmen wir an, Sie sind irgendwo gestrandet und Ihr Telefon hat keinen Akku mehr", sagt Vamsi Talla, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Washington an dem Projekt mitgearbeitet hat. "Sie könnten immer noch einen Notruf tätigen, der ein Lebensretter sein könnte."
Mit einem normalen Handy verbrauchen zwei Dinge viel Strom, sagt Talla. Zuerst muss Ihr Telefon Ihre Stimme (ein analoges Signal) in ein digitales Signal umwandeln. Zweitens überträgt es dieses Signal in Form von Funkfrequenzen an einen Turm.
Das Team entfernte diese Komponenten von ihrem neu gestalteten Telefon. Stattdessen verwendeten sie die Grundprinzipien der sowjetischen Technologie, um die Funktionsweise des Geräts zu überarbeiten.
Im Fall des Great Seal Bug verursachten Stimmen im Raum, dass eine kleine, in der Struktur verborgene Membran vibrierte und die Resonanz des inneren Hohlraums veränderte. Um mitzuhören, mussten begierige sowjetische Agenten auf der Straße nur die richtige Frequenz der Funkwellen in Richtung der Robbe fokussieren, wodurch eine Antenne im Inneren des Käfers aktiviert wurde. Dann konnten sie die Reflexionen sammeln, die zurückgeworfen wurden - auch als Rückstreuung bekannt.
Im Falle des batterielosen Telefons wird von einer entfernten Basisstation ständig ein Funksignal ausgesendet. Wenn eine Person in das Gerät spricht, werden diese Frequenzen an die Basisstation zurückgesendet. Es ist dann die Aufgabe der Basisstation, sich mit dem Mobilfunknetz zu verbinden und den Anruf zu übertragen.
"Man kann die Gesetze der Physik nicht brechen", sagt Talla. „Wenn etwas viel Arbeit erledigen muss, braucht es viel Strom.“ Anstatt dass das Telefon den größten Teil der Arbeit erledigt, wird die Basisstation zu einem Kommunikations-Kraftpaket. Das Telefon selbst verbraucht nur wenige Mikrowatt Strom und gewinnt seine Energie entweder aus Umgebungsfunkwellen oder Licht. Für die Solarenergie verwendet das Gerät eine winzige Fotodiode (1 cm²).
Derzeit ist das System recht rudimentär - vollständig aus handelsüblichen Komponenten aufgebaut. Der Benutzer trägt Kopfhörer, um den Anruf abzuhören. Es hat keinen Bildschirm und sieht ein bisschen aus wie eine Computerplatine mit einem berührungsempfindlichen Ziffernblock. Es ist auch eher ein Walkie-Talkie als ein Telefon, sagt Talla. "Sie können entweder zu einem bestimmten Zeitpunkt sprechen oder empfangen." Zum Sprechen drückt der Benutzer eine Taste und spricht in das Gadget.
Bei diesen frühen Prototypen, für die die Forscher ein Patent angemeldet haben, ist die Klangqualität nicht besonders gut und der Benutzer muss sich innerhalb eines Abstands von 50 Fuß zur Basisstation befinden, damit das Telefon funktioniert. Obwohl die Forscher hoffen, die Reichweite zu verbessern, ist das Telefon wahrscheinlich nicht etwas, an das sich Menschen in entlegenen Gegenden leicht wenden können, wenn es Probleme gibt.
"Alles in allem ist das, was sie tun, sehr interessant und sie verfolgen ein Ziel, für das sich jeder begeistern und töten würde", sagt David Blaauw, ein Elektrotechniker, dessen Forschung an der Universität von Michigan sich auf stromsparendes Design konzentriert. "Es ist eine sehr schöne Implementierung und ein sehr komplettes System, das sie demonstrieren, aber es gibt einige Probleme, die für das Design von grundlegender Bedeutung zu sein scheinen."
Zum einen, sagt Blaauw, der nicht an der Untersuchung beteiligt war, wird es schwierig sein, die Reichweite des Telefons zu vergrößern, da die Signalstärke mit zunehmender Entfernung stark abnimmt. Und mit Rückstreuung muss das Signal ziemlich weit laufen. "Das Signal muss von der Basisstation zum Mobiltelefon geleitet werden, dann passiv reflektiert werden und dann zur Basisstation zurückkehren", sagt er. "Deshalb bekommen sie Dutzende von Metern und nicht Hunderte von Metern oder Kilometern, wie es moderne Handys tun." Tatsächlich sagen Telekommunikationsexperten, dass ein modernes Handy mit einem Turm in mehr als 32 Kilometern Entfernung verbunden werden kann.
Das andere Problem, sagt Blaauw, könnte eine Störung sein. Da die Basisstation daran arbeitet, die geringe Änderung der passiv reflektierten Funkwellen herauszufinden, kann es bei mehreren gleichzeitig arbeitenden Telefonen schwierig sein, das richtige Signal bei allen Störungen herauszufinden. Talla sagt jedoch, dass sie daran arbeiten, dieses Problem in zukünftigen Prototypen zu lösen und die Basisstation für zusätzliche Verarbeitung und Filterung zu verwenden.
Das Team setzt seine Arbeit am batterielosen Telefon in Zusammenarbeit mit Jeeva Wireless fort, einem Spin-off-Unternehmen aus der Forschung des Labors, das sich auf die Kommerzialisierung von Wi-Fi mit extrem geringem Stromverbrauch konzentriert. Talla, derzeit CTO von Jeeva, plant die Integration einer Kamera für Bilder und Textfunktionen mithilfe eines E-Ink-Bildschirms - dieselbe Technologie, die derzeit bei Kindle und anderen E-Readern eingesetzt wird. Eine andere mögliche Zukunft für das Gerät wäre, es in ein normales Smartphone zu integrieren, sagt Talla. Auf diese Weise kann der Benutzer auch dann Notrufe tätigen, wenn die Batterie leer ist. In jedem Fall möchten sie die Qualität der Anrufe verbessern, indem sie ein Mikrofon entwickeln, das speziell für die Rückstreuung entwickelt wurde.
Laut Talla hat das Gerät mit Technologien der nächsten Generation eine glänzende Zukunft. "Eine Option von 5G würde unsere Technologie praktischer machen", sagt er. Mit 5G planen Unternehmen, Mobilfunk-Basisstationen viel enger zusammenzubauen, um höhere Datenraten zu ermöglichen. Für das batterielose Mobiltelefon würde die Verlagerung zu engeren Mobilfunkmasten die Abdeckung erhöhen, insbesondere in städtischen Umgebungen.
Obwohl die Idee faszinierend ist, wird es noch lange dauern, bis es batterielose Handys auf den Markt bringen. Zumindest jetzt müssen Sie das zusätzliche Ladekabel noch zur Hand haben.
