„Techno-Signaturen“ – künstliche Signale als Hinweise

Auf der Suche nach außerirdischer Intelligenz

Mobilfunktürme sind zwar relativ neue, aber zunehmende Beiträge zur Funkabstrahlung des Planeten Erde. Die Atronomen und Physiker N. Heeralall-Issur, Ramiro C. Saide und M. A. Garrett aus Mauritius und Manchester untersuchten in ihrer jüngsten, in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society unter dem Titel „Simulation of the Earth’s radio-leakage from mobile towers as seen from selected nearby stellar systems“ publizierten Arbeit den Gesamtbeitrag von Mobilfunktürmen zum Leckagebudget der Erde, wie er sich aus einer Auswahl verschiedener nahe gelegener Sternsysteme ergibt.

Funkantennen, Berlin – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Sie haben ein Modell dieser Leckage unter Verwendung öffentlich zugänglicher Daten über die Standorte von Mobilfunktürmen erstellt. Das Modell unterteilt die Oberfläche des Planeten in kleine, rechnerisch überschaubare Regionen und geht von einem einfachen integrierten Sendemuster für die Mobilfunkantennen aus. In diesem Modell heben und senken sich die Regionen der Mobilfunktürme, wenn sich die Erde dreht. Auf diese Weise wurde ein dynamisches Leistungsspektrum der Erde ermittelt, das über alle Mobilfunk-Frequenzbänder summiert wurde.

Berechnet wurden diese dynamische Leistungsspektren von drei verschiedenen Beobachtungspunkten aus – HD 95735, Barnards Stern und Alpha Centauri A. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die von den Mobilfunkmasten ins All entweichende Spitzenleistung ~4GW beträgt. Dies steht im Zusammenhang mit der Long Term Evolution (LTE)-Mobilfunkturm-Technologie, die von der Ostküste Chinas aus gesehen von HD 95735 ausgeht. Wir zeigen, dass die Leckage der Mobilfunktürme periodisch und richtungsabhängig ist und derzeit von einer nahegelegenen Zivilisation, die sich in einem Umkreis von 10 Lichtjahren um die Erde befindet, nicht entdeckt werden könnte, wenn man Instrumente mit einer ähnlichen Empfindlichkeit wie das Green Bank Telescope einsetzt. Die Forscher planen, ihr Modell zu erweitern, um leistungsfähigere 5G-Mobilfunksysteme, Radaranlagen, bodengestützte Uplinks (einschließlich des Deep Space Network) und verschiedene Arten von Satellitendiensten einzubeziehen, einschließlich Konstellationen im erdnahen Orbit wie Starlink und OneWeb.

1 EINFÜHRUNG

Ziel der Suche nach extraterrestrischer Intelligenz (SETI) ist, Beweise für intelligentes Leben jenseits der Erde zu entdecken, indem man nach sogenannten „Techno-Signaturen“ (künstlich erzeugte Signale, die nicht von der Natur erzeugt werden) sucht. Leider konnten bisher alle von SETI-Radioexperimenten entdeckten Signale nicht einer intelligenten Zivilisation außer der unseren zugeordnet werden. Grundsätzlich müssen SETI-Durchmusterungen für einen weiten Parameterbereich empfindlich sein – das liegt daran, dass wir einige sehr grundlegende Aspekte des Signals, nach dem wir suchen, nicht kennen – einschließlich des Zeitpunkts von Übertragungen, ihrer Position am Himmel und ihrer zentralen Frequenz.

Parallel zur Suche nach Anzeichen für intelligentes Leben hat das Thema Exoplaneten einen großen Einfluss auf das mögliche Vorkommen von außerirdischem Leben in der Galaxie, da wir mehr über die Bedingungen auf diesen Planetensystemen und ihre potenzielle Bewohnbarkeit verstehen. Künftige Fortschritte bei den Beobachtungsmöglichkeiten aus dem Weltraum und vom Boden aus haben neue und faszinierende Perspektiven für die Suche nach außerirdischem Leben eröffnet.

Die meisten SETI-Durchmusterungen sind auf die Entdeckung von Schmalbandsignalen von starken Baken optimiert. In der Regel wird davon ausgegangen, dass die Entdeckung schwächerer, breitbandiger Lecksignale nur für sehr nahe gelegene Sternsysteme relevant ist. Die Möglichkeit des „Abhörens“ alltäglicher Funkübertragungen, die unbeabsichtigt von anderen technischen Zivilisationen in den Weltraum gelangen, wurde 1978 erstmals von Sullivan, Brown & Wetherill untersucht. Sie betrachteten den speziellen Fall unseres Planeten Erde und kamen zu dem Schluss, dass die am besten erkennbaren Signale mit militärischen Radarsystemen und Fernsehsendern in Verbindung gebracht wurden. Sie erstellten ein Modell der Streustrahlung der Erde und wiesen nach, dass ein externer Beobachter Schwankungen in der Signalstärke feststellen würde, wenn sich verschiedene Regionen der Erde in den Sichtbereich hinein- und herausbewegten.

Seit der Veröffentlichung der bahnbrechenden Arbeit vor mehr als 40 Jahren hat sich die Art der Leckqgestrahlung der Erde erheblich verändert. Mit dem Aufkommen des Kabelfernsehens und des Internets tragen zum Beispiel starke Fernsehübertragungen nicht mehr wesentlich zur Leckstrahlung der Erde bei. Darüber hinaus waren Mobilfunksysteme bis in die 1990er Jahre unbekannt und stellen heute eine neue und noch wachsende Komponente der vom Menschen verursachten Funkstrahlung auf der Erde dar. Laut Statista gibt es derzeit 7,26 Milliarden Mobilfunknutzer, was bedeutet, dass mehr als 91,00 % der Menschen auf der Welt ein Mobiltelefon besitzen. Die einzelnen Handys werden von einem riesigen Netz von Mobilfunktürmen versorgt, die über die gesamte Landmasse des Planeten verteilt sind. Obwohl jeder dieser Türme Funkübertragungen mit relativ geringer Leistung (~Hunderte Watt) erzeugt, sind sie aufgrund der Richtwirkung dieser Antennen und ihrer schieren Anzahl ein wichtiger Bestandteil, der näher untersucht werden sollte.

Soweit bekannt ist, wurde die kumulative Wirkung der Emissionen von Mobilfunktürmen und ihre Auswirkungen auf das Abhören und SETI im Allgemeinen noch nicht untersucht. Andere Studien haben gezeigt, wie andere irdische Techno-Signaturen aus dem Weltraum im nahen Infrarot (IR) und bei optischen Wellenlängen sowie durch die Nutzung von Energieübertragung und Beschleunigung von Raumfahrzeugen nachweisbar sind. Hier schlagen die Autoren vor, zu untersuchen, wie die Leckstrahlung von Mobilfunkmasten auf der Erde aussehen würde, wenn sie von einer außerirdischen Zivilisation mit Instrumenten beobachtet würde, die unserer aktuellen Radioteleskoptechnologie ähneln. Genauer gesagt, berechnen sie das gesamte Funkleistungsspektrum der Erde und die damit verbundenen Nachweisgrenzen für eine Reihe verschiedener Exoplanetensysteme. Außerdem versuchen wir, die künftige Entwicklung der Leckstrahlung unserer Mobilfunktürme zu analysieren, wobei wir 5G-Türme als Proxy verwenden. Unsere Studie gibt Aufschluss darüber, was wir erwarten können, wenn es anderswo in der Milchstraße eine menschenähnliche Zivilisation mit ähnlicher oder sogar fortgeschrittener Radioteleskoptechnologie gibt.

2 RADIOLECKSTRAHLUNG VON DER ERDE

Die frühere Arbeit von Sullivan et al. (1978) identifizierte Fernsehsender und militärische Radarsysteme, insbesondere „Frühwarn“-Radarsysteme, als die wahrscheinlichste Form von Leckstrahlung, die von einer anderen intelligenten Zivilisation, die die Erde beobachtet, entdeckt wird. Insbesondere könnte die Entdeckung einzelner schmalbandiger Fernseh- und/oder Radiosendungen durch eine andere Zivilisation genutzt werden, um auf Eigenschaften unseres Planeten zu schließen, wie z.B. Details über seine Rotationsrate und Orbitalbewegung, Informationen über die Ionosphäre und Troposphäre des Planeten, die globale Verteilung von Sendern und möglicherweise einige kulturelle Aspekte unserer Zivilisation.
In diesem Abschnitt gehen wir der Frage nach, wie sich die Funkabstrahlung der Erde in jüngster Zeit verändert hat, und argumentieren, dass eine neue und wichtige Komponente dieser Emission mit mobilen Kommunikationssystemen und insbesondere mit Mobilfunktürmen zusammenhängt. Wir haben versucht, diese neue Komponente der Leckage zu modellieren, um das Profil des Funkleistungsspektrums als Funktion der Zeit für eine bestimmte Jahreszeit, den Standort des Senders (Breiten- und Längengrad) und die Himmelskoordinaten/Entfernung eines außenstehenden Beobachters (Empfänger) zu bestimmen.

2.1 Mobiler Funkverkehr auf der Erde

Das Funkspektrum wird von einer Vielzahl von Diensten genutzt: Rundfunk und Fernsehen, Funknavigation und Positionsbestimmung, militärische und zivile Radarsysteme, Weltraum- und Satellitenkommunikation, Fernerkundungsanwendungen usw. In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung und Nutzung mobiler Dienste durch Land-, See-, Luft- und Satellitenanwendungen enorm zugenommen. Der von den meisten dieser Dienste genutzte Frequenzbereich liegt in der Regel zwischen 3 kHz und 30 GHz, und die übertragenen Leistungen können viele Größenordnungen (1-106 W) umfassen. Jedem Dienst wird von der Internationalen Fernmeldeunion ein Bereich von Betriebsfrequenzen zugewiesen (Intven 2000).

Mobile Telekommunikationsdienste sind zu einem wesentlichen Bestandteil unseres modernen Lebens geworden, da sie es uns ermöglichen, Informationen, einschließlich Videos, fast augenblicklich über den ganzen Planeten auszutauschen. Die Handykommunikation ist Teil eines umfassenderen drahtlosen Kommunikationsdienstes, der in den letzten Jahrzehnten ein außergewöhnliches Wachstum erfahren hat. Seit den Anfängen der Entwicklung von Mobiltelefonen im Jahr 1973 hat die Zahl der Verbindungen mit mobilen Geräten die Zahl der Menschen auf der Erde überstiegen und ist damit das am schnellsten wachsende von Menschen geschaffene Technologiephänomen aller Zeiten. Darüber hinaus ist diese Technologie über die wichtigsten Landgebiete der Erde, in denen Menschen leben, verbreitet. Inzwischen gibt es weltweit mehr als 10,98 Milliarden Mobilfunkanschlüsse und damit mehr als die derzeitige Weltbevölkerung von 7,978 Milliarden Menschen. Nach Schätzungen der Digitalanalysten der Vereinten Nationen gibt es 3,002 Milliarden mehr Mobilfunkanschlüsse als Menschen auf der Erde.

Im Vergleich dazu ist die Zahl der Fernsehsender in den letzten Jahren zurückgegangen, wobei eine massive Verlagerung hin zum Fernsehkonsum über Kabel oder Online-Streaming-Internetdienste stattgefunden hat. Während Fernseh- und Radiosender bei Frequenzen um 40-700 MHz immer noch eine wichtige Quelle für die Leckstrahlung auf der Erde sind, besteht kaum ein Zweifel daran, dass auch die Mobilfunktechnologien bei Frequenzen zwischen 400 und 3000 MHz einen bedeutenden Teil des gesamten Leckstrahlungsbudgets ausmachen. Die stärksten Leckstrahlungsquellen sind derzeit nach wie vor militärische Radarsysteme, wie sie ursprünglich von Sullivan et al. (1978) identifiziert wurden.

2.2 Mobilfunktürme

Mobiltelefone kommunizieren durch die Übertragung von Funkwellen über ein Netz fester Antennen, die so genannten Mobilfunktürme. Die Handys arbeiten auf Frequenzen zwischen 450 und 3000 MHz und senden isotrop mit Spitzenleistungen im Bereich von nur 0,1-2 W. Im Vergleich dazu erzeugt ein Mobilfunkturm Spitzenleistungen von 100-200 W, und die Antennen sind gerichtet und haben einen beträchtlichen Vorwärtsgewinn (?50 ×) in Richtung des Horizonts.

Ein Mobilfunkmast ist ein physischer Turm oder Mast für die Aufstellung von Mobilfunkgeräten, die zum Senden oder Empfangen von Telekommunikationsübertragungen verwendet werden. Die Art des Mobilmastes hängt von seinem Zweck ab. Mikrofunktürme sind kleinere Mobilfunktürme, die in einem kleinen Gebiet mobile Konnektivität bieten. Der Abstand zwischen den einzelnen Mikrotürmen beträgt etwa 400-800 m, während der Abstand zwischen den einzelnen Makrotürmen in der Regel 2-4 km beträgt. Die Anzahl der Mobilfunktürme in einem Land hängt von der Fläche ab, die sie abdecken sollen, von der Bevölkerungsdichte und von der eingesetzten Mobilfunktechnologie, z. B. Global System for Mobile Communications (GSM), Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS), Long Term Evolution (LTE), wobei die meisten Länder derzeit LTE einsetzen.

2.2.1 Frequenzbänder für Mobilfunknetze

Das Mobilfunk-Frequenzspektrum ist hauptsächlich in die folgenden Bänder und eingesetzten Technologien unterteilt:

Die Antennen der GSM-Basisstationen senden im Frequenzbereich von 935-960 MHz. Dieses Frequenzband von 25 MHz ist in 20 Unterbänder von 1,2 MHz unterteilt, die verschiedenen Betreibern zugewiesen sind (Kumar 2010). Einem Betreiber können mehrere Trägerfrequenzen (1-5) mit einer Obergrenze von 6,2 MHz Bandbreite zugewiesen sein. Jede Trägerfrequenz kann eine Leistung von 10-20 W übertragen. Ein Betreiber kann also eine Leistung von 50-100 W übertragen, und es können drei bis vier Betreiber auf demselben Dach oder Turm sein. Die übertragene Gesamtleistung liegt daher im Bereich von 200-400 W. Darüber hinaus werden Richtantennen verwendet, die in der Regel eine Verstärkung von etwa 17 dB aufweisen, so dass effektiv mehrere kW Leistung in der Hauptstrahlrichtung übertragen werden können (Kumar 2010). Das Strahlungsdiagramm von Richtantennen ist für den gesamten Übertragungsprozess sehr kritisch.

UMTS wird als Mobilfunknetz der dritten Generation (3G) definiert, das auf dem globalen GSM-Standard aufbaut und in den Frequenzbereichen 1920-1980 MHz und 2110-2170 MHz sendet. Diese Frequenzbänder sind für die Nutzung in Europa und Asien zugewiesen. UMTS bietet Kanalbandbreiten von hauptsächlich 5 MHz1 , aber auch 10 MHz und 20 MHz sind möglich. UTMS weist fast die gleichen Sendeleistungsmerkmale wie GSM auf.

LTE bietet mehr Bänder von etwa 600-3000 MHz mit einer Bandbreite von 10 MHz bis über 100 MHz. LTE erlaubt die folgenden Kanalbandbreiten: 1,4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz (Sauter 2010). Die Signalstärkewerte werden durch verschiedene Messungen definiert. Shi, Gao & Du (2012) zeigten, dass LTE eine stärkere Strahlung erzeugt als UMTS und GSM.

Diese Mobilfunktechnologie kann bei Radiobeobachtungen, einschließlich neuerer SETI-Untersuchungen, wie z. B. Smith et al. (2021), deutlich als Funkstörung wahrgenommen werden. In Abb. 2 von Smith et al. (2021) ist die Signatur der mit den Mobilfunkbändern verbundenen Störungen über die gesamte Beobachtungsbandbreite zu sehen. Dies ist das, was ein außerirdischer Beobachter mit einem sehr empfindlichen Radioteleskop feststellen könnte, wenn er die Erde abhört. Siehe auch Abb. 3 in Unterabschnitt 2.3.

2.3 Geostandortdaten von Mobilfunktürmen

Wir haben eine Datenbank für Mobilfunktürme aus der weltweit größten offenen Datenbank für GPS-Mobilfunktürme OpenCelliD erstellt.2 OpenCelliD ermöglicht den öffentlichen Zugriff auf diese Datenbank über eine Anwendungsprogrammierschnittstelle. Die OpenCellID-Datenbank wird unter einer Open-Content-Lizenz mit der Absicht veröffentlicht, die freie Nutzung und Weitergabe der Daten zu fördern. Die Daten enthalten verschiedene Parameter, aber die für diese Studie nützlichen sind der Breiten- und Längengrad von Mobilfunktürmen sowie die eingesetzte Technologie (GSM, UMTS und LTE).

Die OpenCellID-Datenbank enthält mehr als 30 Millionen Datenpunkte und wird täglich aktualisiert. Die Datenbank wird durch freiwillige Crowd-Sourcing-Meldungen gefüllt, die von registrierten Nutzern über verschiedene Mobiltelefonanwendungen automatisch gesammelt werden. Es gibt bekannte Probleme mit der Qualität der Daten, insbesondere ist die Datenquelle nicht vollständig (insbesondere in Entwicklungsländern) und kann Fehler enthalten (Ricciato et al. 2015; Lv et al. 2019). Nichtsdestotrotz gilt diese Datenbank als die beste und größte öffentlich verfügbare Datenbank für Mobilfunkmasten und wurde in vielen anderen wissenschaftlichen Studien verwendet (Ulm, Widhalm & Brändle 2015; Werner & Porczek 2019; Johnson, Andresen & Malleson 2021). Wir übernehmen sie hier, in dem Bewusstsein, dass sie in Bezug auf die geografische Abdeckung unvollständig sein kann, aber die besten Informationen darstellt, die derzeit verfügbar sind.

Um die Funktürme geografisch zu visualisieren, haben wir die Software Qgis verwendet – Qgis ist kostenlos und Open Source – die es uns ermöglicht, georäumliche Informationen zu erstellen, zu bearbeiten, zu visualisieren und zu analysieren. Qgis unterstützt verschiedene Datentypen, wie Vektor-, Raster-, abgegrenzte Text-, Mesh-Ebenen und viele andere (QGIS Development Team 2009; Kurt Menke et al. 2016).

2.4 Schätzung der gesamten Sendeleistung von Mobilfunktürmen

Mobilfunktürme arbeiten nicht mit einer konstanten Ausgangsleistung, sondern die Sendeleistung hängt davon ab, was sie erreichen müssen. Im Durchschnitt strahlt ein Mobilfunkmast, der ein großes ländliches Gebiet abdeckt, mehr Leistung aus als ein kleiner Mobilfunkmast im Stadtzentrum.

Um die von Mobilfunkmasten abgestrahlte Gesamtleistung im Detail zu schätzen, müssten die Emissionsmerkmale jedes einzelnen Turms bekannt sein. Aufgrund der Datenmenge, die uns zur Verfügung stand, ist die Strahlverfolgung für jeden einzelnen Mobilfunkmast sehr rechenintensiv. Um dieses Problem zu umgehen, haben wir jeden Kontinent in quadratische Raster von ~20° mal 20° unterteilt. Die Größe des Rasters wurde durch die uns zur Verfügung stehenden Rechenressourcen bestimmt. Dieser Ansatz reduzierte die Anzahl der zu berechnenden Mobilfunksendebalken, bot aber eine ausreichende Granularität, um die Auswirkungen der unregelmäßigen geografischen Verteilung der Mobilfunktürme in unseren Ergebnissen zu berücksichtigen.

Wir berechneten den Beitrag jeder Mobilfunkturmtechnologie, die innerhalb jeder Gitterzelle eingesetzt wurde. Die Gesamtleistung wurde dann auf der Grundlage der äquivalenten Strahlungsleistung eines einzelnen Turms berechnet. Wir summierten alle Türme innerhalb jedes Netzes und multiplizierten sie mit der von einem einzelnen Mobilfunkmast abgestrahlten Leistung. Mobilfunkanlagen hingegen verbrauchen einige hundert Watt äquivalente, isotrope Strahlungsleistung (EIRP) pro Kanal, je nach dem Zweck zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Anzahl der Dienstanbieter, die sich an einem bestimmten Turm befinden. Der Einfachheit halber wurden für jeden Typ von Mobilfunktechnologie die folgenden Ausgangsleistungswerte angenommen: GSM 100 Watt, UMTS 100 Watt und LTE 200 Watt.

Ein vereinfachtes Modell des Strahlenmusters eines Mobilfunkturms wurde unter Verwendung einer Gauß-Funktion angenommen – wir ordneten alle Strahlenmuster als omnidirektional im Azimut und von Gaußscher Form im Elevationswinkel über dem Horizont zu. Beachten Sie, dass unsere Analyse keine Reflexionen von Gebäuden, Bergen oder anderen Strukturen berücksichtigt, die Funkwellen reflektieren.

Für jeden der Gitterschwerpunkte berechneten die Forscher die Elevation und den Azimut eines extraterrestrischen Beobachters für einen bestimmten Tag des Jahres. Anhand des Elevationswinkels berechneten sie die Verstärkung des Gaußschen Strahlenmusters, wobei die Amplitude die Summe der Leistung der Türme innerhalb der jeweiligen Gitterzelle ist. Schließlich berechneten wir die Gesamtleistung und trugen diese gegen die mittlere Greenwich-Sonnenzeit (GMST) auf.

Mobilfunktürme strahlen die maximale Leistung in Richtung des Horizonts ab, so dass der extraterrestrische Beobachter die maximale Leistung erkennt, wenn die Mobilfunktürme auf- oder untergehen, mit anderen Worten, wenn sich der Beobachter am lokalen Horizont des Mobilfunkturms befindet. Aber auch andere Standorte tragen zur detektierbaren Gesamtleistung bei – unsere Berechnungen berücksichtigen auch diesen Aspekt.

3 ERGEBNISSE

Die Auswahl der Sterne erfolgte in erster Linie aufgrund ihrer Nähe und auch im Hinblick auf die Koordinaten der Sterne, bei denen ein Maximum an nachweisbaren Lecks auftreten könnte. Wir wählten einen Stern mit einer Deklination in Äquatornähe (Barnard-Stern), einen auf der Südhalbkugel (HD 95735) und einen auf der Nordhalbkugel (Alpha Centauri A). Nördliche Sterne werden mehr Streustrahlung aufweisen als südliche Sterne, da diese Sterne von vielen Sendern auf der Nordhalbkugel beleuchtet werden. Zu guter Letzt haben sie auch Systeme mit potenziell bewohnbaren Planeten in Betracht gezogen, was der Fall des Barnard-Sterns ist (Ribas et al. 2018).

  1. In Anlehnung an Sullivan et al. (1978) haben wir zunächst das Radioleistungsspektrum von der Erde aus bestimmt und dabei den Barnard-Stern als außerirdischen Standort verwendet. Dieser Stern ist ein Roter Zwerg in einer Entfernung von ~6 Lichtjahren von der Erde im Sternbild Ophiuchus. Er ist der viertnächste bekannte Einzelstern zur Sonne.
  2. Der zweite hypothetische extraterrestrische Beobachter, den wir ausgewählt haben, ist HD 95735, ein Roter Zwerg. Dieser Stern befindet sich ~8,3 Lichtjahre von der Erde entfernt.
  3. Der dritte hypothetische Beobachter wurde bei Alpha Centauri A platziert. Dieser Stern ist ~4,2 Lichtjahre von der Erde entfernt.

4 DISKUSSION

Unsere Ergebnisse ähneln den früher von Sullivan et al. (1978) vorgelegten Resultaten, die zeigen, dass die Funkabstrahlung der Erde periodisch bleibt, einschließlich des Beitrags der Mobilfunktürme. Dies ist nicht unerwartet, da sich die Erde dreht und die physische Verteilung der Türme über die Oberfläche des Planeten ungleichmäßig ist. Die Verteilung der Mobilfunktürme auf der Erde führt zu einer sehr komplexen Variation der Leckfunksignatur des Planeten, und aus unseren Ergebnissen geht hervor, dass sie auch stark vom Standort des hypothetischen Beobachters abhängt. Insbesondere würde die maximale Leckage-Emission von nördlichen Sternen entdeckt werden – dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die meisten Mobilfunktürme auf der Nordhalbkugel befinden. Wir stellen außerdem fest, dass bei Sternen mit niedriger Deklination nur wenige Sender auf der Erde den außerirdischen Beobachter beleuchten.

Unsere Studie lenkt die Aufmerksamkeit auch auf die Tatsache, dass sich die Leckage-Signatur der Erde recht schnell und über relativ kurze Zeiträume entwickelt hat. Die von Sullivan et al. 1978 geschätzte Funkemission von Fernsehsendern und Radarsystemen wurde von einigen tausend sehr leistungsstarken Sendern dominiert, die sich in bestimmten Gebieten des Planeten befinden. Wir haben es hier mit Millionen von Mobilfunktürmen zu tun, die auf höheren Frequenzen arbeiten und eine viel geringere Leistung haben. Der vielleicht interessanteste Unterschied ist jedoch, dass diese Türme geografisch viel weiter verteilt sind als die von Sullivan et al. betrachteten Fernsehsender. Unsere Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass der Aufstieg der Entwicklungsländer auf dem afrikanischen Kontinent sowie Länder wie Japan, Vietnam und China einen erheblichen Beitrag zu Leckagen leisten.

In dieser Studie haben sih die Forscher auf die Leckstrahlung von Mobilfunkmasten konzentriert. Die Streustrahlung von Mobiltelefonen selbst haben wir nicht berücksichtigt. Die Emission von Mobiltelefonen variiert erheblich, je nachdem, ob sie aktiv senden oder nicht. Wenn ein Mobiltelefon aktiv ist, steuert das Netz des Betreibers die Ausgangsleistung auf Werte von bis zu 1 mW (Lönn et al. 2004). Angesichts der schieren Anzahl der weltweit aktiven Handys sollte diese Komponente jedoch nicht vernachlässigt werden. Da die meisten Mobiltelefone in dicht besiedelten Gebieten verwendet werden, wird der Großteil der Handys mit relativ geringer Leistung betrieben. Wir schätzen, dass die gesamte Hintergrundleckstrahlung von Mobiltelefonen rund um die Erde etwa eine Größenordnung weniger stark ist als die hier dargestellte Spitzenleckstrahlung von Mobilfunktürmen. Da Mobiltelefone isotrop abstrahlen, fügen sie der Leckage eine Hintergrundkomponente hinzu, die weniger variabel ist als die von Mobilfunktürmen, da letztere in Richtung des Horizonts abgestrahlt werden. Im Moment haben wir die Mobiltelefone nicht in die hier vorgestellte Analyse einbezogen. Unsere Simulationen stellen daher eine untere Grenze für die von der Erde ausgehende Leckstrahlung dar, die von Mobilfunksystemen ausgeht.

Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass es für eine außerirdische Zivilisation möglich sein sollte, ein einfaches Modell unseres Planeten zu erstellen, das die von Land, Vegetation und Ozeanen/Eis dominierten Regionen wiedergibt, indem sie die Veränderung des Strahlungsflusses auf unserem Planeten in Abhängigkeit von der Zeit analysiert.

4.1 Nachweisbarkeitsbereich

„Um zu prüfen, ob diese Signale von einem externen Beobachter entdeckt werden können, gehen wir zunächst davon aus, dass dieser über die gleichen Radiobeobachtungsfähigkeiten verfügt wie wir. Die Gesamtwahrscheinlichkeit, unsere Signale aus dem Weltraum zu entdecken, hängt von der Frequenz, der Sendeleistung, der Bandbreite, der Empfindlichkeit des Teleskops, der Entfernung des Beobachters, der Persistenz des Lecks usw. ab (Grimaldi & Marcy 2018).“

4.2 Kurzfristige Entwicklung der Leckage von Mobilfunkmasten

Es wird erwartet, dass die 5G-Mobilfunktechnologie bis 2025 mehr als die Hälfte der gesamten Mobilfunkverbindungen in den entwickelten Regionen Asiens und Nordamerikas ausmachen wird. Die Leckagen werden zunehmen, aber die Dienste werden auch auf höhere Frequenzen ausgedehnt – insbesondere wird die 5G-Technologie in den folgenden Frequenzbändern arbeiten: Low-Band (600, 800 und 900 MHz), Mid-Band (2,5, 3,5 und 3,7-4,2 GHz) und High-Band (24, 26, 28, 37, 39, 42 und 47 GHz). Frequenzen über 95 GHz sind noch nicht lizenziert (Gultekin & Siegel 2020). Mit der erwarteten raschen Verbreitung der 5G-Technologie wird auch die Anzahl der drahtlosen Geräte zunehmen, was zu einer hohen Dichte an Infrastruktur und Breitbandemissionen führt. Emissionen mit höheren Frequenzen haben kürzere Reichweiten, so dass eine höhere Dichte von Mobilfunktürmen erforderlich sein wird, was die Gesamtleckage der Mobilfunktürme erhöhen und ihr spektrales Profil verändern wird. Nach den von der FCC erlassenen Vorschriften darf eine 5G-Basisstation, die im Millimeterbereich arbeitet, eine effektive Strahlungsleistung von bis zu 30 000 Watt pro 100 MHz des Spektrums abgeben. Die Art der 5G-Leckstrahlung wird mit der weiteren Entwicklung und Einführung deutlicher werden.

5 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND ZUKÜNFTIGE ARBEITEN

Das Hauptziel der vorliegenden Studie war die Bestimmung des Leistungsspektrums von Mobilfunktürmen auf der Erde, wie es von einer hypothetischen Zivilisation in interstellarer Entfernung beobachtet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leckstrahlung von Mobilfunktürmen aufgrund ihrer ungleichmäßigen Verteilung auf der Erdoberfläche und der Rotation unseres Planeten in ihrer Intensität variabel und periodisch ist. Die Ergebnisse zeigen weiter, dass die von der LTE-Mobilfunktechnologie erzeugte maximale Leistung in der Größenordnung von 4 GW für HD 95735 liegt. Im Vergleich dazu erzeugt die UMTS-Mobilfunktechnologie für HD 95735 eine Leistung in der Größenordnung von 3,3 GW. Die zweitstärkste Emission tritt in Richtung Alpha Centauri A aus und liegt in der Größenordnung von 3,5 GW, was ebenfalls der LTE-Mobilfunktechnologie entspricht.

In Bezug auf die Entdeckbarkeit kommen die Autoren zu dem Schluss, dass eine nahe gelegene Zivilisation, die sich in einem Umkreis von 10 Lichtjahren von der Erde befindet und mit einem mit dem GBT vergleichbaren Empfangssystem ausgestattet ist, die Leckage des Mobilfunkmastes der Erde nicht entdecken würde. Umgekehrt würde jede existierende außerirdische Zivilisation, die Funksignale von Mobilfunktürmen mit demselben Leistungsniveau aussendet, vom GBT nicht entdeckt werden würde. Teleskope der nächsten Generation, wie z. B. das SKA, können zwar mehr leisten, sind aber noch weit davon entfernt, diese geringen Leckströme zu erkennen. Die Mobilfunksysteme stecken jedoch noch in den Kinderschuhen, und die künftige Entwicklung dieser Technologie (z. B. 5G-Systeme und darüber hinaus) lässt vermuten, dass diese Komponente der Leckstrahlung der Erde im Laufe der Zeit weiter an Leistung gewinnen wird.

Wenn die Leckagen nachgewiesen werden können, könnte ein außerirdischer Beobachter verschiedene Details über die Beschaffenheit unseres Planeten und die Verteilung der Technologie auf seiner Oberfläche erkennen.

„Für die Zukunft planen wir, unser Modell der Leckagen von Mobilfunktürmen weiterzuentwickeln, um diese stärkeren und breitbandigeren 5G-Emissionen einzubeziehen. Darüber hinaus möchten wir unser Modell aktualisieren und um weitere Quellen für vom Menschen verursachte Funkemissionen ergänzen, darunter militärische und zivile Radarsysteme, Deep Space Network-Übertragungen, Kommunikationssatelliten in geostationärer und erdnaher Umlaufbahn, insbesondere die weithin erwarteten Satellitenkonstellationen, die jetzt geplant sind, z. B. Starlink und OneWeb. Nicht zuletzt möchten wir unsere Ergebnisse validieren, indem wir unsere Simulationen mit realen Daten vergleichen – dazu gehören Radioteleskope, die Reflexionen vom Mond beobachten, und Satelliten, die Funkemissionen von der Erde überwachen.“

->Quelle und Originalpublikation: Ramiro C Saide, M A Garrett, N Heeralall-Issur: Simulation of the Earth’s radio-leakage from mobile towers as seen from selected nearby stellar systems, in: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 522, Issue 2, June 2023, Pages 2393–2402, https://doi.org/10.1093/mnras/stad378