Drahtlose Kommunikation völlig neu gedacht

Nachrichten über den Smartphone-Messenger oder per E-Mail zu verschicken, ist heute selbstverständlich. Die Kommunikation ist schnell, unkompliziert und günstig. Allerdings verbraucht die drahtlose Übertragung von Daten weltweit Unmengen an Energie. Prof. Dr. Giuseppe Caire, Leiter des Fachgebiets Theoretische Grundlagen der Kommunikationstechnik an der TU Berlin, forscht zusammen mit einem Team internationaler Kollegen an einer neuen Übertragungsmethode, die drahtlose Kommunikation revolutionieren könnte. Für ihr Projekt „Waves, Physics, Information, and Computation“ erhielten Brain City Botschafter Prof. Giuseppe Caire, Prof. Andrea Alù von der City University of New York, Prof. Andrea Alù von der City University of New York, Prof. Marco di Renzo von der Universität Paris-Saclay und Prof. Christoph Studer von der ETH Zürich im November 2025 den mit zehn Millionen Euro dotierten „ERC Synergy Grant“ des Europäischen Forschungsrats. Im Brain City Interview erläutert Giuseppe Caire die von dem Projektteam entwickelte Idee und erklärt, warum die neue Übertragungsmethode bahnbrechend sein könnte.

Herr Professor Caire, für das Projekt „Waves, Physics, Information, and Computation“ (WePhICom) hat Ihr Team im November den „ERC Synergy Grant“ des Europäischen Forschungsrates erhalten. Was verspricht die von Ihnen entwickelte neue Kommunikationstechnologie?

Unsere Idee überdenkt die Funktionsweise drahtloser Kommunikation völlig neu. Drahtlose Kommunikation basiert heute fast ausschließlich auf digitaler Signalverarbeitung. Diese ist zwar leistungsstark, aber auch extrem energieintensiv, da jedes empfangene Signal von analog auf digital umgewandelt werden muss. Mit dem Wechsel auf neue Mobilfunkstandards – von 5G zu 6G und darüber hinaus – wird nicht nur die Signalbandbreite steigen, auch die Antennendichte im Raum wird sich dramatisch erhöhen, um eine bessere Signalqualität und Abdeckung zu erreichen. Diese „vollständig digitale” Verarbeitung stößt allerdings an ihre physikalischen Grenzen. Das heißt, wir nähern uns einem Punkt, an dem es nicht mehr nachhaltig ist, einfach mehr Elektronik hinzuzufügen. Die kritische Grenze der Hardware- und auch der Energiekomplexität wird bald erreicht sein. Schon heute gehen fünf bis zehn Prozent der globalen Treibhausgas-Emissionen auf das Konto der Telekommunikation.

Und Ihr Projekt setzt wo an?

Wir untersuchen einen radikal anderen Ansatz: Anstatt die Umgebung als passiven Hintergrund zu behandeln, formen und steuern wir die Funkwellen direkt im Hochfrequenzbereich mithilfe sogenannter Metasurfaces. Das sind ultradünne, programmierbare Folien, die Funkwellen lenken, fokussieren, filtern oder sogar „berechnen” können, bevor das Signal in digitale Signale umgewandelt. Dies verspricht Kommunikationssysteme, die viel schneller, energieeffizienter und grundlegend einfacher sind als existierende Technologien.

Wie funktionieren diese Metasurfaces genau?

Stellen Sie sich vor, Sie könnten viele aufwendige digitale Vorgänge, die normalerweise von stromhungrigen Elektronikgeräten wie Smartphones ausgeführt werden, durch eine „intelligente Tapete“ für Funkwellen ersetzen. Das ist das Prinzip der Metasurfaces. Das Material besteht aus einer dünnen Schicht, die mit winzigen Elementen bedeckt ist, die elektromagnetisch kontrolliert werden können. Wenn Radiowellen auf die Oberfläche treffen, kann diese die Wellen sofort umformen. Sie kann sie um Hindernisse herumlenken, sie wie eine Linse fokussieren oder auch die Signale verschiedener Nutzerinnen und Nutzer trennen. In unserem Projekt gehen wir noch einen Schritt weiter: Wir kombinieren diese neue Hardware unter Einbindung fortschrittlicher informationstheoretischer Ansätze mit Sensortechnologie und spezifisch angepassten Hardware-Chips. Wellen, Physik und Berechnung interagieren in diesem neuen Ökosystem direkt bevor das Signal einen herkömmlichen Prozessor erreicht.

Welchen technologischen Impact könnte „Waves, Physics, Information, and Computation“ haben?  

Kurz gesagt: Sollte das Projekt erfolgreich sein, könnte dies transformative Auswirkungen haben. WePhICom könnte eine völlig neue Generation nachhaltiger Funktechnologien für die 2030er Jahre und darüber hinaus definieren. Und es könnten darüber enorme Mengen an Energie in drahtlosen Netzwerken eingespart werden. Angesichts des weltweit explosionsartig steigenden Datenverkehrs ist dies entscheidend. Außerdem könnte diese neue Technologie auch in dicht besiedelten Städten die Verbindungsqualität verbessern – durch leistungsfähigere Antennen, eine bessere Signalqualität und geringere Störungsanfälligkeit. Sie könnte autonomes Fahren sicherer machen, die Verkehrsüberwachung verbessern und intelligentere Städte ermöglichen. Mit den Eigenschaften der Metasurfaces ließe sich darüber hinaus eine doppelfunktionale Hardware realisieren, die sowohl Kommunikation als auch Sensorik integriert. Ein solches drahtloses Netzwerk könnte man beispielsweise als „Radar” im Verkehr einsetzen, um etwa Fußgängerinnen und Fußgänger oder Radfahrende vor Gefahren in der Umgebung zu schützen. Man könnte damit aber auch Drohnen in der Umgebung identifizieren, denn asymmetrische Hybridangriffe stellen im urbanen Umfeld inzwischen eine deutliche und unmittelbare Gefahr dar.

Welches Ziel verfolgen Sie mit dem Projekt?

Unser Ziel ist es, künftig Netzwerke zu ermöglichen, die deutlich weniger Energie verbrauchen und gleichzeitig weitaus mehr Daten verarbeiten können. Wir können den Bedarf an digitalen Berechnungen, Kühlung und hochpräziser Hardware drastisch reduzieren, wenn wir einen wesentlichen Teil der Signalverarbeitung auf Metasurfaces verlagern.

Der „ERC Synergy Grant“ ist mit 10 Millionen Euro dotiert. Wie und wofür wird Ihr Team die Förderung verwenden?

Im Wesentlichen ermöglicht es uns die Förderung, eine einzigartige interdisziplinäre Forschungsumgebung aufzubauen, die sonst nicht realisierbar wäre. Wir werden das Geld verwenden, um junge Forschende auszubilden – Doktorandinnen und Doktoranden sowie Postdoktorandinnen und -doktoranden. Außerdem werden wir neue experimentelle Plattformen aufbauen, einschließlich programmierbarer Metasurfaces und Hardware-Demonstratoren. Auch eine maßgeschneiderte Chip-Technologie für die Echtzeit-Wellenverarbeitung möchten wir entwickeln und innerhalb unserer internationalen Projektstruktur gemeinsam genutzte Testumgebungen in Berlin, New York, Paris und Zürich einrichten. Darüber hinaus werden wir mit dem Geld den wissenschaftlichen Austausch, Workshops und Forschungsaufenthalte zwischen den Partnerinstitutionen finanzieren.

Apropos Partnerinstitutionen: Ihr Team arbeitet ja eng mit der City University of New York, der Université Paris-Saclay und der ETH Zürich zusammen. Welche Rolle hat die TU Berlin in dem Projekt?

Die TU Berlin koordiniert das gesamte Projekt. Das heißt, wir haben die wissenschaftliche Gesamtleitung übernommen, sichern die Integration von Physik, Kommunikationstheorie und Hardware, leiten die Arbeit an informationstheoretischen Grundlagen, integrierter Sensorik und Kommunikation und verwalten die administrativen und organisatorischen Aufgaben des Projekts. Anders ausgedrückt: Die TU Berlin verbindet als zentrale Drehscheibe die komplementären Stärken der drei Partnerinstitutionen miteinander.

Warum ist Berlin ein idealer Standort für ein Projekt wie „Waves, Physics, Information and Computation“?

Berlin bietet ein einzigartiges Ökosystem für diese Art von ambitionierter interdisziplinärer Forschung. Die Stadt besitzt eine große Tradition sowohl in der Physik als auch im Ingenieurwesen, insbesondere in den Bereichen Elektromagnetik, Drahtlosforschung und Informatik. Berlin fördert außerdem die offene Zusammenarbeit und erleichtert so die Vernetzung zwischen Universitäten, Forschungsinstituten und Industriepartnern. Hier sitzen außerdem wichtige nationale Initiativen – wie beispielsweise die deutschen 6G-Forschungszentren. Das schafft ein ideales Umfeld zur Erprobung von Technologien der nächsten Generation. Nicht zu vergessen: Berlin zieht internationale Talente an. Die Stadt bietet ihnen ein lebendiges, kreatives Umfeld, in dem mutige Ideen gedeihen. Für ein Projekt, das Grundlagenphysik, fortschrittliche Algorithmen und reale Prototypen zusammenbringt, hat Berlin exakt die richtige Mischung aus Fachwissen, Infrastruktur und Offenheit.

Interview: Ernestine von der Osten-Sacken