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Terahertz-Strahlung: Wie Satelliten besser kommunizieren

Von Empa 4 min Lesedauer

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt
FAULHABER SA

Terahertz-Strahlung ist ein bisher kaum genutzter, aber vielversprechender Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Empa-Forschenden Elena Mavrona und Erwin Hack wollen zur Schliessung dieser «Terahertz-Lücke» beitragen. Mit ihrem Spin-off «Lepto» stellen sie Filter und andere Geräte für Terahertz-Strahlung her und ermöglichen so eine Vielzahl von Anwendungen, sowohl im Weltraum als auch auf der Erde.

(Maks Lab - stock.adobe.com)
(Maks Lab - stock.adobe.com)

Die hauchdünne Folie spannt sich über ein ringförmiges Kunststoffgerüst. Je nach Blickwinkel erscheint sie mal beinahe transparent, mal schimmert sie in Gold, Rot, Grün. Verantwortlich für dieses Farbenspiel ist die metallische Mikrostruktur der Oberfläche der Folie: hochpräzise mikroskopische Muster aus reinem Gold. So schön sie auch anmutet, ist die Folie nicht etwa ein Deko-Objekt, sondern ein High-Tech-Filter für Terahertz-Strahlung, und das erste Produkt des Empa-Spin-offs Lepto GmbH. Lepto, griechisch für «dünn», ist ein passender Name, denn der Filter ist gerade einmal ein Mikrometer – einen Tausendstel eines Millimeters – dick.

Gegründet wurde die junge Firma im April 2025 in Dübendorf von den Empa-Forschern Elena Mavrona und Erwin Hack. Sie befassten sich bereits in den sechs Jahren zuvor am Empa-Labor «Transport at Nanoscale Interfaces» mit Terahertz-Strahlung. «Mit Wellenlängen zwischen 0,3 und 3 Millimeter befindet sich die Terahertz-Strahlung an der Grenze zwischen Optik und Elektronik», erklärt Elena Mavrona, heute CEO von Lepto.

Im elektromagnetischen Spektrum liegt der Terahertz-Bereich zwischen den kurzwelligen Licht- und Infrarotwellen und den längeren Mikro- oder Gigahertz-Wellen, die wir für den Grossteil unserer drahtlosen Kommunikationstechnologien verwenden, von Bluetooth bis WLAN.

Lepto GmbH

Die Lepto GmbH ist ein Spin-off der Empa und wird von glatec, dem Business-Inkubator der Empa, unterstützt. Die Gründer erhalten Coaching durch glatec sowie «Initial Coaching» mit Unterstützung von Innosuisse. Lepto wird von weiteren Mitgliedern des Labors «Transport at Nanoscale Interfaces» begleitet, darunter Miterfinder Ivan Shorubalko und die Berater Rolf Brönnimann, Tero Kulmala und Jonas Gartmann. Das Spin-off ist derzeit auf der Suche nach Pre-Seed-Finanzierung. Elena Mavrona hat für das Spin-off das «Empa Entrepreneur Fellowship» erhalten.

lepto.ch

Die Lücke der Terahertz-Strahlung schliessen

Verglichen mit seinen spektralen «Nachbarn» war der Terahertz-Bereich lange kaum erforscht; die Technologien, um Terahertz-Strahlung zu erzeugen und zu messen, waren dünn gesät. Erst in den letzten rund 30 Jahren hat diese sogenannte Terahertz-Lücke begonnen, sich zu schliessen. Denn Terahertz-Strahlung verspricht vielseitige Anwendungen in der Medizin, Kommunikation und Materialforschung. Genau solche Anwendungen will Lepto mit seinen Produkten ermöglichen: Komponenten, die das Ausstrahlen und Detektieren von Terahertz-Strahlen ermöglichen.

Entstanden ist das Spin-off aus einem Forschungsprojekt, in dem es Hack, Mavrona und ihren Mitarbeiteren gelang, eine besonders dünne Struktur für hochwirksame Terahertz-Filter zu entwickeln. Sie meldeten die Technologie zum Patent an. «Eigentlich hatten wir nie vor, eine Firma zu gründen», schmunzelt Erwin Hack, CTO von Lepto. «Aber wir hatten viele Anfragen aus anderen Forschungsinstitutionen, und sie waren mit der Leistung unserer Filter sehr zufrieden. Da wurde uns klar, dass es einen Markt gibt.»

Die Filter sind indes nur der Anfang. «Wir arbeiten auch an weiteren Komponenten für Terahertz-Strahlung, etwa Polarisatoren», sagt Mavrona. Was die Lepto-Produkte von der Konkurrenz absetzt, ist ihre geringe Dicke. Die Polymerfolie, die als Substrat für die Gold-Mikrostruktur des eigentlichen Filters dient, ist äusserst dünn und für alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums hochtransparent. Das macht die resultierenden Filter besonders effektiv – aber auch sehr leicht und platzsparend.

Von Satelliten zu Spitälern – Anwendung der Terahertz-Strahlung

Aus diesem Grund sehen die Spin-off-Gründer einen wichtigen Markt für ihre Produkte im Bereich der Raumfahrt, wo das Gewicht der Komponenten eine Schlüsselrolle spielt – und Terahertz-Strahlen gleich mehrere Anwendungsbereiche finden. «Einerseits ist Terahertz-Spektroskopie eine ausgezeichnete Methode, um viele Phänomene in der Astro- und Geophysik zu erforschen», führt Mavrona aus. «Andererseits eignet sich Terahertz aber auch hervorragend für die Kommunikation zwischen Satelliten, sowie zwischen einem Satelliten und der Erde.» Die höhere Frequenz der Terahertz-Strahlung im Vergleich zu den konventionellen Kommunikationstechnologien ermöglicht gemäss Hack eine schnellere Datenübertragung. Dadurch, dass die Strahlung kürzere Wellenlängen hat als ihr «grosser Bruder» Gigahertz, reicht sie nicht ganz so weit – ein Vorteil, der Terahertz-basierte Kommunikationstechnologien sicherer macht.

Der Weltraum ist allerdings lange nicht der einzige Anwendungsbereich für Terahertz-Strahlung und für die Komponenten von Lepto. In der Atmosphäre wird die Strahlung zwar relativ schnell gestreut und reicht nur über kurze Distanzen. Dennoch gilt sie als eine der Schlüsseltechnologien für 6G, den nächsten Standard für Mobilfunk, der noch schneller und energieeffizienter werden soll als der heute gängige 5G-Standard.

Auch in der Medizin besteht viel Potenzial für Terahertz-Wellen, die oberflächliche Gewebeschichten durchdringen können. Ähnlich wie seine Nachbarn im elektromagnetischen Spektrum ist Terahertz nicht-ionisierend und somit weniger schädlich als Röntgenstrahlung. Es wird vor allem für Anwendungen auf der Haut entwickelt, etwa zur Krebsdiagnose oder zur Untersuchung von oberflächlichen Blutgefässen oder Wunden. Weitere Anwendungen gibt es im Bereich der Sicherheit, etwa bei den Bodyscans am Flughafen.

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Zurzeit kommt die Nachfrage nach den Terahertz-Filtern und -Polarisatoren von Lepto hauptsächlich aus der Forschung. Nebst den Anwendungen in der Spektroskopie zur Untersuchung von Materialien wird auch an Terahertz-basierten Quantencomputern geforscht. «Unsere Filter sind sehr dünn, und die Rahmen dafür fertigen wir nach Mass mittels 3D-Druck», erklärt Mavrona. Das erlaubt dem jungen Unternehmen, komplexe aber zugleich kompakte Filtersysteme genau nach Kundenwunsch anzufertigen. «Wir freuen uns, unsere Produkte bald auf den Markt bringen zu können», so die beiden Gründer.

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