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Evologics GmbH: Wissenschaft in Unternehmen: Von Flipper lernen

Bioniker entwickeln eine drahtlose Unterwasserkommunikation nach biologischem Vorbild.


Müssen Objekte im Meer geortet und vermessen werden, etwa im Rahmen der Überwachung von Pipelines, der Inspektion havarierter Tanker oder auch bei der Erforschung des Meeresbodens, so setzt man Sonden aus, die Ultraschallsignale senden beziehungsweise deren Reflexionen empfangen. Kabel übertragen die Daten zum Schiff. Für den Einsatz im Meerwasser brauchen diese Leitungen aber eine gegen Korro­sion resistente Mantelung, die je nach Länge enorm zu Buche schlagen kann. Zudem können sich Kabel an Felsen, Korallen oder anderen Hindernissen verfangen – im schlimmsten Fall geht die Sonde verloren.

Eine drahtlose Kommunikation wäre deshalb sehr wünschenswert, doch elektromagnetische Wellen werden im Meerwasser stark absorbiert – Funk- und Lichtsignale kommen deshalb nicht weit. Meeressäuger haben dieses Problem bekanntlich gelöst: Sie singen. Denn mit Schallwellen lassen sich größere Distanzen überbrücken. Die großen Wale nutzen Infraschall, dessen Frequenzen unterhalb unserer Hörschwelle liegen, um über Hunderte von Kilometern Kontakt zu halten. Delfine kommunizieren hingegen in einem Frequenzbereich von sieben bis 200 Kilohertz, also überwiegend mit Ultraschall (die menschliche Hörschwelle liegt bei maximal zwanzig Kilohertz). Der reicht nur wenige Kilometer weit, kann aber mehr Information transportieren. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser beträgt zudem etwa 1500 Meter pro Sekunde, fünfmal so viel wie in der Luft.

Allerdings ist die Übertragung von Daten auf akustischem Wege unter Wasser nicht so einfach. Denn das Medium ist nicht homogen und ständig in Bewegung, Tiere und Schiffe steuern ihrerseits Laute und Geräusche hinzu, kurz: Das Rauschen ist erheblich. Das größere Problem aber ist die so genannte Mehrwegeausbreitung: Die Signale werden an Schichten mit unterschiedlicher Temperatur und verschiedenem Salzgehalt gebeugt, von der Meeresoberfläche, vom Meeresboden und Hindernissen vielfach reflektiert. Je nach Weglänge treffen Echos und direkt durchlaufende Signale zeitlich versetzt beim Empfänger ein und überlagern sich dort. Verzerrungen und komplizierte Nachhalleffekte sind die Folge. Die Struktur dieser Mehrwegeausbreitung verändert sich obendrein fortlaufend.

Wenn Sonden unter Wasser singen

Dagegen helfen elektronische Schaltungen, die das Frequenzspektrum eines Signals nach bestimmten Gesichtspunkten optimieren. Allerdings können sie den rasch wechselnden Übertragungsverhältnissen nicht immer Rechnung tragen. Auch im militärischen Bereich wird das frequency hopping eingesetzt, bei dem die Signale nicht kontinuierlich auf einer festen Trägerfrequenz, sondern als Folge von kurzen Pulsen auf ständig wechselnden Frequenzen gesendet werden. Das verringert den störenden Einfluss der Echos: Wenn eine reflektierte Schallwelle mit einem direkt durchlaufenden Signal am Empfänger eintrifft, hat Letzteres eine andere Frequenz, und die Interferenz bleibt aus. Leider können kurze Pulse leicht absorbiert werden, sodass dann im Signal einzelne Spektralbereiche fehlen.

Umso mehr überrascht es, dass Delfine über mehrere Kilometer hinweg problemlos unter Wasser kommunizieren und mit ihren Ultraschallsignalen Beutefische sowie Feinde orten. Eine Analyse ihrer Botschaften zeigt, dass die Tiere dabei keine starren Frequenzen verwenden, sondern die Höhe der Töne in einem sehr breiten Frequenzspektrum kontinuierlich variieren.

EvoLogics, ein Spin-off-Unternehmen der Technischen Universität Berlin, versucht solche in Jahrmillionen optimierten Strategien der Natur in technische Produkte umzumünzen. Die Unternehmensgründer Konstantin Kebkal und Rudolf Bannasch fanden heraus, dass das "Sweepen" der Delfine tatsächlich die Interferenzen der Mehrwegeausbreitung vermeiden hilft: Wie beim Pulsverfahren können Echos aufgrund der variierten Frequenzen nicht mehr destruktiv interferieren. EvoLogics hat demgemäß ein Modem entwickelt, das die zu übertragenden Informationen nicht nur wie üblich einem Trägersignal durch Phasen- oder Frequenzmodulationen aufprägt, sondern dessen Frequenz auch gleichmäßig verändert – die Wissenschaftler lassen das Signal "singen". Dieses Gerät kommt demnächst auf den Markt.

Nachdem die Echos so ihren Schrecken verloren haben, sollen sie nach dem Willen EvoLogics zudem als Kopien des Sendesignals von Nutzen sein. Dazu werden ihre Laufzeitunterschiede in einen Frequenzversatz umgewandelt, sodass die einzelnen "Clone" nunmehr separat in unterschiedlichen Frequenzbändern vorliegen. Ähnlich wie beim automatischen Sendesuchlauf eines Radioempfängers kann nun der Kanal mit dem klarsten Signal ausgewählt werden. In einer Ausbaustufe wollen die Entwickler mehrere Kopien so miteinander verrechnen, dass sich die Signalenergie summiert beziehungsweise das Rauschen herausgemittelt wird.

Spezielle Algorithmen sollen zudem die Struktur der Mehrwegeausbreitung und andere Störeinflüsse analysieren, um die sich dynamisch ändernden Übertragungsbedingungen im Meer zu erfassen und die Parameter des Modems nachzuregeln. Damit wird die bisherige Methode obsolet, durch hohe Senderleistung sozusagen alles Rauschen zu übertönen. Das kommt dann letztlich auch den biologischen Vorbildern zugute: In Tests reagierten dressierte Delfine mit großem Interesse auf das Sendemodem und zwitscherten munter mit. Vielleicht gelingt es ja eines Tages, eine echte Kommunika­tion mit diesen Tieren aufzubauen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2003, Seite 89
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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