Ungefähr ein Drittel der Weltbevölkerung oder etwa drei Milliarden Menschen haben aufgrund von Infrastruktureinschränkungen, wirtschaftlichen Ungleichheiten und geografischer Isolation keinen Zugang zum Internet oder verfügen über schlechte Verbindungen.
Aktuelle Satelliten und terrestrische Netzwerke hinterlassen Kommunikationslücken, bei denen die Implementierung herkömmlicher terrestrischer Kommunikationsgeräte aufgrund der geografischen Lage zu kostspielig wäre.
Hochgelegene Telekommunikationsstationen – Telekommunikationsgeräte, die in großer Höhe auf unbemannten Ballons, Luftschiffen, Segelflugzeugen und Flugzeugen platziert sind – könnten die soziale und wirtschaftliche Gleichheit verbessern, indem sie Lücken in der Internetverbindung am Boden und per Satellit schließen. Dies könnte es mehr Menschen ermöglichen, vollständig am digitalen Zeitalter teilzuhaben.
Einer von uns, Mohamed-Slim Alouini, ist ein Elektroingenieur, der zu einem Experiment beigetragen hat, das zeigte, dass es möglich ist, hohe Datenraten und eine allgegenwärtige 5G-Abdeckung aus der Stratosphäre bereitzustellen. Die Stratosphäre ist die zweitunterste Schicht der Atmosphäre und liegt zwischen 4 und 30 Meilen über der Erde. Verkehrsflugzeuge fliegen im Allgemeinen im unteren Teil der Stratosphäre. Das Experiment maß Signale zwischen Bahnsteigstationen und Benutzern am Boden in drei Szenarien: einer Person, die an einem Ort bleibt, einer Person, die ein Auto fährt, und einer Person, die ein Boot steuert.
Meine Kollegen haben die Signalstärke im Vergleich zu Interferenzen und Hintergrundgeräuschpegeln gemessen. Es ist eines der Maßstäbe für die Netzwerkzuverlässigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass die Stationen der Plattform Hochdurchsatzanwendungen wie das Streamen von Videos in 4K-Auflösung unterstützen und das 15- bis 20-fache der Fläche von Standard-Bodentürmen abdecken können.
Frühe Versuche von Facebook und Google, Plattformsender zu vermarkten, scheiterten. Aber jüngste Investitionen, technologische Verbesserungen und das Interesse traditioneller Fluggesellschaften und Luft- und Raumfahrt-Start-ups könnten das ändern.
Das Ziel ist globale Konnektivität, ein Anliegen, das der Idee der Dockstationen im Bericht „Top 10 Emerging Technologies 2024“ des Weltwirtschaftsforums Anerkennung einbrachte. An diesem Ziel arbeitet auch die internationale Industrieinitiative HAPS Alliance, zu der auch Hochschulpartner gehören.
Schnell, wirtschaftlich, flexibel
Bahnsteigstationen wären schneller, kostengünstiger und flexibler als satellitengestützte Systeme.
Da sich Kommunikationsgeräte näher an der Erde befinden als Satelliten, könnten Stationen stärkere Signale mit höherer Kapazität liefern. Dies würde eine Echtzeitkommunikation ermöglichen, die schnell genug ist, um mit Standard-Smartphones zu kommunizieren, hochauflösende Funktionen für Bildgebungsaufgaben und eine höhere Empfindlichkeit für Sensoranwendungen. Sie übertragen Daten über Freiraumoptiken oder Lichtstrahlen und großflächige Antennen-Array-Systeme, die große Datenmengen schnell senden können.
Satelliten können abhör- und störungsanfällig sein, wenn sie auf ihrer Umlaufbahn über feindliche Länder fliegen. Allerdings bleiben die Bahnsteigstationen im Luftraum eines einzigen Landes, was dieses Risiko verringert.
Außerdem sind Höhenstationen einfacher einzurichten als Satelliten, deren Start und Wartung teuer sind. Darüber hinaus sind die regulatorischen Anforderungen und Compliance-Verfahren, die zur Ermittlung von Standorten in der Stratosphäre erforderlich sind, wahrscheinlich einfacher als die komplexen internationalen Gesetze, die Satellitenumlaufbahnen regeln. Außerdem lassen sich Stationen in großer Höhe einfacher aufrüsten, sodass Upgrades schneller durchgeführt werden können.
Bahnsteigstationen sind potenziell auch weniger umweltschädlich als Satelliten-Megakonstellationen, da letztere beim Wiedereintritt verglühen und schädliche Metalle in die Atmosphäre abgeben können, während Bahnsteigstationen mit sauberen Energiequellen wie Solarenergie und grünem Wasserstoff betrieben werden können.
Die größten Herausforderungen für praktische Hafenstationen sind die Verlängerung der Flugdauer auf mehrere Monate, die Erhöhung der grünen Energie an Bord sowie die Verbesserung der Zuverlässigkeit, insbesondere beim Start und bei der automatischen Landung in den turbulenten unteren Schichten der Atmosphäre.
Jenseits der Satelliten
Hafenstationen könnten in Notfällen und humanitären Situationen eine entscheidende Rolle spielen, indem sie Hilfsmaßnahmen unterstützen, wenn Landnetze beschädigt oder nicht funktionsfähig sind.
Die Stationen könnten auch Geräte und Sensoren für das Internet der Dinge (IoT) in entfernten Umgebungen verbinden, um die Umgebung besser zu überwachen und Ressourcen zu verwalten.
In der Landwirtschaft könnten Stationen Bild- und Sensortechnologien nutzen, um Landwirte bei der Überwachung der Pflanzengesundheit, der Bodenbedingungen und der Wasserressourcen zu unterstützen.
Ihre hochauflösende Bildgebungsfähigkeit könnte auch Navigations- und Kartierungsaktivitäten unterstützen, die für Kartographie, Stadtplanung und Katastrophenhilfe von entscheidender Bedeutung sind.
Die Stationen könnten auch einem doppelten Zweck dienen, indem sie Instrumente zur Atmosphärenüberwachung, Klimastudien und Fernerkundung von Merkmalen der Erdoberfläche, der Vegetation und der Ozeane transportieren.
Von Ballons bis hin zu Flugzeugen
Dockstationen könnten auf verschiedenen Flugzeugtypen basieren.
Ballons bieten einen stabilen und dauerhaften Betrieb in großen Höhen und können angebunden oder schwebend sein. Luftschiffe, auch Luftschiffe genannt, verwenden Gase, die leichter als Luft sind, und sind größer und wendiger als Ballons. Sie eignen sich besonders für Überwachung, Kommunikation und Forschung.
Segelflugzeuge und Motorflugzeuge lassen sich präziser steuern als Ballons, die empfindlich auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagieren. Darüber hinaus können Motorflugzeuge, zu denen Drohnen und Starrflügelflugzeuge gehören, Kommunikationsgeräte, Sensoren und Kameras mit Strom versorgen.
Leistung der nächsten Generation
Dockstationen könnten verschiedene Energiequellen nutzen, darunter immer leichtere und effizientere Solarzellen, Batterien mit hoher Energiedichte, grüne Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, grüne Wasserstoff-Brennstoffzellen, die sich derzeit in der Testphase befinden, und letztendlich die Stromversorgung per Laserstrahl terrestrische oder Weltraum-Solarstationen.
Die Weiterentwicklung leichter Flugzeugkonstruktionen gepaart mit Fortschritten bei hocheffizienten Motoren und Propellern ermöglicht es Flugzeugen, länger zu fliegen und schwerere Nutzlasten zu transportieren. Diese fortschrittlichen Leichtflugzeuge könnten Plattformen hervorbringen, die über längere Zeiträume in der Stratosphäre manövrieren können.
Gleichzeitig erleichtern Verbesserungen der stratosphärischen und atmosphärischen Wettermodelle die Vorhersage und Simulation der Bedingungen, unter denen die Stationen der Plattform betrieben würden.
Überbrückung der globalen digitalen Kluft
Bis zum Ende des Jahrzehnts könnte der kommerzielle Einsatz von Bahnsteigbahnhöfen, zumindest im Katastrophen- oder Notfallfall, möglich sein. Beispielsweise hat ein Konsortium in Japan, einem Land mit isolierten Gemeinden in Bergen und Inseln, 100 Millionen US-Dollar für mit Solarenergie betriebene Bahnsteigstationen in großer Höhe bereitgestellt.
Bahnhöfe könnten die digitale Kluft überbrücken, indem sie den Zugang zu wesentlichen Dienstleistungen wie Bildung und Gesundheitsversorgung verbessern, neue wirtschaftliche Möglichkeiten bieten und die Notfallreaktion und Umweltüberwachung verbessern. Da der technologische Fortschritt ihre Entwicklung weiter vorantreibt, werden Bahnhöfe eine entscheidende Rolle in einer integrativeren und widerstandsfähigeren digitalen Zukunft spielen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen.
Es wurde geschrieben von: Mohamed-Slim Alouini, König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie und Mariette DiChristina, Boston-Universität.
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Mohamed-Slim Alouini erhielt zahlreiche Stipendien, hauptsächlich von seiner eigenen Universität, um an theoretischen Aspekten nichtterrestrischer Netzwerke (einschließlich HAPS und Satellitennetzwerke) zu arbeiten. Er ist außerdem akademisches Mitglied der HAPS Alliance https://hapsalliance.org/, um über praktische Entwicklungen im Bereich HAPS auf dem Laufenden zu bleiben.
Mariette DiChristina arbeitet nicht für ein Unternehmen oder eine Organisation, die von diesem Artikel profitieren könnte, berät sie nicht, besitzt keine Anteile daran und erhält keine Gelder von ihnen und hat keine relevanten Verbindungen über ihre Universitätsposition hinaus angegeben.