Terahertz-Technologie und ihre Einsatzgebiete in der Terrorismusbekämpfung

Gastautor – Salih Ergün

| Teil 3

Nach unseren früheren Beiträgen, in denen wir den Einsatz von Drohnen und ihren Nutzlasten im Rahmen der Bildaufklärung, einer der Methoden der Informationsgewinnung in der Terrorismusbekämpfung, zu beleuchten versuchten, nehmen wir in diesem Beitrag die Terahertz-Technologie und ihre Anwendungsgebiete unter die Lupe.

 Was ist Terahertz?

Als Terahertz-Strahlung (THz) bezeichnet man die Strahlung zwischen dem Mikrowellen- und dem Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, die eine Brücke zwischen Elektronik und Photonik bildet. Das THz-Band wird meist mit 0,1 bis 10 THz angegeben, manche Quellen erweitern die Obergrenze jedoch auf 30 THz. In jüngster Zeit hat sich die Forschung zum Terahertz-Bereich (THz) des elektromagnetischen Spektrums intensiviert[1].

Viele Jahre lang blieb das THz-Band mangels geeigneter Quellen und Detektoren weitgehend unerforscht. Erzeugung und Nachweis elektronischer und photonischer Strahlung unterscheiden sich in ihren theoretischen und technischen Grundlagen erheblich. Der als THz-Lücke bezeichnete Bereich zwischen Elektronik und Photonik hat dagegen einen hybriden Charakter, weil dort beide Felder zusammentreffen[2]. Abbildung 1 zeigt die Lage des THz-Bands im elektromagnetischen Spektrum[3].

Unter den theoretischen Ansätzen befasst sich die klassische Theorie im Bereich der Elektronik mit dem Elektromagnetismus und der Kommunikationstheorie, die das Elektron und seine Emissionsmechanismen behandeln, während sich die Photonik eher auf die Quantenmechanismen der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie konzentriert. Beide Bereiche tragen bedeutende Industrien im Wert von Milliarden Dollar. Im THz-Bereich, wo sich beide treffen, gibt es bislang noch keine große Vielfalt und Zahl industrieller Produkte.

Vor diesem Hintergrund nehmen Entwicklung, Herstellung und Handel von Geräten, die das THz-Band nutzen, auch in der Industrie einen wichtigen Platz ein[4]. Bei THz-Systemen gibt es zwei Hauptansätze: kontinuierliche (Dauerstrich, continuous wave, CW) THz-Strahlung und gepulste (Zeitbereich, time domain) THz-Strahlung. Die Eigenschaften beider Gruppen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Was zeichnet das Terahertz-Band aus?

Vier grundlegende Eigenschaften machen THz-Wellen bedeutsam.

• Erstens zeigt THz-Strahlung für verschiedene Materialien eine eindeutige Signatur. Diese Eigenschaft gleicht der Einzigartigkeit eines Fingerabdrucks[5].
• Zweitens kann THz-Strahlung nichtmetallische und unpolare Materialien durchdringen und tritt mit polaren Materialien stark in Wechselwirkung. Dadurch durchdringt sie viele Materialien, und mithilfe von THz-Strahlung lassen sich Luftverschmutzung, Krebszellen und Sprengstoffe nachweisen. Terahertz-Strahlung kann viele trockene, nichtmetallische Stoffe außer Wasser und Metall je nach Zusammensetzung und Dicke bis zu einem gewissen Grad durchdringen und liegt in dem Frequenzbereich, der den Schwingungen der meisten chemischen und biologischen Moleküle entspricht. Nach Dobroiu[6] durchdringen THz-Strahlen die meisten Materialien wie Kunststoff, Karton und Stoff, werden von Wasser und Wasserdampf absorbiert und von Metallen reflektiert. Spektroskopische Messungen haben gezeigt, dass die meisten Sprengstoffe im THz-Band eine charakteristische Struktur aufweisen, die sie von anderen Stoffen unterscheidet. Zahlreiche Sprengstoffe wie TNT, RDX, HMX, PETN und Tetryl konnten mit THz-Spektroskopie nachgewiesen werden. Abbildung 2 zeigt die unterschiedlichen Spektralstrukturen von Sprengstoffen und die THz-Frequenz verschiedener Abdeckungen[7]. Der Nachweis gelang, obwohl der Sprengstoff mit Materialien wie Papier, Kunststoff oder Stoff bedeckt war.[8]

• Drittens hat THz-Strahlung sehr niedrige Energieniveaus. (Einheit: meV. 1 Millielektronenvolt: 1,6×10⁻²² Joule) Deshalb ionisiert sie biologisches Gewebe nicht und verursacht keine direkten Gewebeschäden wie Röntgenstrahlung. Eine sichere Anwendung hängt dennoch von Leistung, Frequenz und Expositionsdauer ab. Dank dieser Eigenschaft kann sie im Gesundheitswesen und in der Sicherheit eingesetzt werden.
• Viertens strahlt ein Körper bei Raumtemperatur Energie im THz-Bereich ab[9]. Das erweitert die Einsatzmöglichkeiten zusätzlich.

Anwendungsgebiete der Terahertz-Technologie

Die Anwendungsgebiete der THz-Technologie haben sich parallel zu den Fortschritten in Photonik und Nanotechnologie entwickelt. Heute werden THz-Technologien unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT),
• Biologie und Gesundheitswissenschaften,
• Zerstörungsfreie Prüfung,
• Nationale Sicherheit,
• Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und Agrarprodukten,
• Globale Umweltüberwachung und
• Ultraschnelle Computer (einige dieser Bereiche befinden sich noch im Forschungsstadium)[10].

THz-Bildgebung wird eingesetzt, um Sprengstoffe aufzuspüren sowie Drogen und Waffen zu erkennen. Ob sich damit Basalzellkarzinome von gesundem Gewebe unterscheiden lassen, wird experimentell untersucht. Da THz-Wellenlängen auch das Fingerabdruckspektrum der meisten chemischen und biologischen Stoffe bilden, können sie zur Identifizierung gefährlicher Substanzen genutzt werden. Man geht davon aus, dass THz-Wellen neue Vorteile bei sehr schneller drahtloser Kommunikation, medizinischer Bildgebung und der Fernerkennung von Landminen bieten werden, auch wenn die Absorption im Boden eine wesentliche Grenze bleibt. Zudem sind T-Strahlen (Terahertz) im Vergleich zu Röntgenstrahlen deutlich risikoärmer, weil sie biologisches Gewebe nicht ionisieren. Daraus folgt jedoch nicht, dass eine unbegrenzte Exposition unbedenklich ist. Beim Einsatz an Lebewesen für medizinische Bildgebung oder andere Zwecke sind Leistung und Expositionsdauer zu berücksichtigen. Betrachtet man die Anwendungsgebiete, so ist der Einsatz im Allgemeinen in den in Tabelle 2 genannten Bereichen vorgesehen[11].

Wie aus der Tabelle hervorgeht, machen der nichtionisierende Charakter der THz-Strahlung, ihre im Vergleich zu ähnlichen, in der Sicherheitstechnik bereits weit verbreiteten Verfahren wie Röntgenstrahlung nahezu vernachlässigbaren negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper und ihre Fähigkeit, durch Gegenstände hindurch verborgene Stoffe sichtbar zu machen, diese Technologie einzigartig. Vor allem die Möglichkeit, Objekte hinter anderen Objekten abzubilden, steigert das Interesse an Sicherheitsanwendungen der THz-Strahlung.