Blitz, Bild: Felix Mittermeier auf Pixabay

ELF-Impulse, wie sie von Blitzen ausgehen, haben wegen ihrer extrem großen Wellenlänge eine immense Reichweite. Bild: Felix Mittermeier auf Pixabay

Das Kürzel ELF steht für Extremely Low Frequencies. Solche extrem niedrigen Frequenzen, genauer: unter 30 Hertz, haben die elektromagnetischen Wellen, die von Blitzen ausgehen. Höher frequente Wellen sind unter anderem von analogen Radiosendern, die zum Beispiel auf Frequenzen zwischen 87,5 und 108 Megahertz senden, bekannt. Im allgemeinen Sprachgebrauch kennt man sie auch als UKW oder Ultrakurzwelle. Früher waren Radioübertragungen auf noch niedrigeren Frequenzbändern üblich. So boten viele Radios noch vor wenigen Jahren die Möglichkeit, Sender über Kurzwelle, Mittelwelle oder Langwelle zu empfangen.

Was bedeutet Extremely Low Frequency? - Definition und Funktion

Extremely Low Frequency (kurz ELF, dt.: extrem niedrige Frequenz) ist gemeinhin bekannt als derjenige Teil des elektromagnetischen Spektrums, der elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von 3–30 Hz und dementsprechend Wellenlängen von 10.000 bis 100.000 km umfasst. Zusammen mit Ultra Low Frequency (ULF, 300–3000 Hz) und Super Low Frequency (SLF, 30–300 Hz) bildet er gemäß IEEE ein Frequenzband, das in der ionosphärischen Radiowellen-Ausbreitung gewöhnlich als Low Frequency oder auch Niederfrequenz bezeichnet wird. Im Besonderen werden ELF-Wellen für die U-Boot-Kommunikation eingesetzt, da diese elektromagnetischen Wellen aufgrund ihrer niedrigen Frequenz eine sehr große Bodenwellenreichweite besitzen und im schlecht leitenden Meerwasser auch nach größerer Eindringtiefe noch nachweisbar sind. Je geringer die Frequenz einer elektromagnetischen Welle ist, umso größer ist die zugehörige Wellenlänge, die sich aus Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit errechnet. Während die Wellenlängen im Bereich der Funkfrequenzen von etwa einem Millimeter (Radar) bis einigen hundert Metern (Mittelwelle) reichen, liegen sie bei ELF-Wellen im Bereich von mehreren tausend Kilometern Länge. 

(Quelle: Wikipedia/ K. Davies - Ionospheric Radio. Peregrinus Ltd, London 1990/ K. Rawer: Wave Propagation in the Ionosphere. Kluwer Publ., Dordrecht 1993/ )

Forschungsteam, Bild: Jerzy Kubisz OAUJ
Die Forschungsteams vom Astronomischen Observatorium der Jagiellonen Universität und der Fakultät für Elektronik der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie in Krakau. Bild: Jerzy Kubisz OAUJ

Vor allem die Langwelle mit Frequenzen zwischen 30 und 300 Kilohertz zeichnete sich durch sehr große Reichweiten aus. Darüber konnte man weit über tausend Kilometer entfernte Radiostationen, wie etwa die im norwegischen Stavanger, in Deutschland empfangen. Wenn auch mit dem Nachteil geringer Datenraten, was zu Lasten der Empfangsqualität ging. Generell gilt, so will es die physikalische Gesetzmäßigkeit: Je niedriger die Frequenz von elektromagnetischen Wellen, desto höher ihre Reichweite – und desto geringer die übertragbare Datenrate. Und es gibt durchaus noch niedrigere Frequenzen – die sogenannten Very, Ultra, Super und die bereits erwähnten Extremely Low Frequencies (ELF).

Wo Niederfrequenzsignale eingesetzt werden

Beobachtungssystem WERA, Bild: Jerzy Kubisz OAUJ
Das Beobachtungssystem WERA besteht aus drei solchen Stationen: in Rio Gallegos (Argentinien), in den Bieszczady-Bergen (Polen) und in Colorado (USA). Bild: Jerzy Kubisz OAUJ

Mit letzteren arbeiten die Wissenschaftler am Astronomischen Observatorium der Jagiellonen Universität und an der Fakultät für Elektronik der AGH Universität für Wissenschaft und Technologie, beide im polnischen Krakau. Vor rund 15 Jahren haben sie das Forschungsprojekt World ELF Radiolocation Array WERA gestartet. Aufgrund ihrer extrem großen Wellenlängen haben ELF-Impulse, wie sie von Blitzen ausgehen, eine immense Reichweite. So entspricht die Wellenlänge eines Signals mit 7,8 Hertz ungefähr dem Erdumfang. Solche Signale breiten sich in einer Art Tunnel aus, gebildet von der Ionosphäre, einer Schicht der Atmosphäre mit elektrisch geladenen Partikeln, und der Erdoberfläche. In diesem Tunnel können sie mehrfach die Erde umrunden. Während übliche Radiofrequenzen sehr schnell von Wasser blockiert werden, dringen die extrem niederfrequenten ELF-Signale in bis zu 300 Meter Wassertiefe vor. Länder wie Russland, Indien und China arbeiten deshalb mit ELF-Sendern, um mit ihren U-Booten zu kommunizieren.

So funktioniert Blitzforschung

Antennen, Bild: Jerzy Kubisz OAUJ
Die Antenne befindet sich fernab von besiedelten Gebieten und technischen Einrichtungen. So soll verhindert werden, dass Fremdsignale die empfindlichen Antennen stören. Bild: Jerzy Kubisz OAUJ

Das World ELF Radiolocation Array allerdings dient ausschließlich zivilen Forschungszwecken. Dazu registriert WERA die Signale von Gewitterblitzen weltweit. Die Wissenschaftler messen die elektrischen Entladungen in der Atmosphäre und ordnen sie in ihre Forschungsszenarien ein. So studieren sie zum Beispiel sogenannte Sprites. Das sind Blitze, die nicht Richtung Erde, sondern bis zu hundert Kilometer nach oben schlagen. Inzwischen unterstützen sie auch andere Forscher, die Naturphänomenen in der Atmosphäre und darüber hinaus auf der Spur sind, wie etwa dem Einfluss von Sonneneruptionen und Röntgenstrahlung aus dem All. Auch an der Erforschung elektromagnetischer Störungen an den Gravitationswellendetektoren LIGO in den USA und VIRO in Italien ist WERA beteiligt. Mithilfe dieser Detektoren konnte vor Kurzem die Existenz von Gravitationswellen bestätigt werden.

Thema Blitz: Blitzschutz von Windkraftanlagen bei Phoenix Contact - Quelle: ke NEXT

Damit sich die empfangenen Signale möglichst genau orten lassen, arbeitet WERA mit drei Messstationen zusammen. Eine befindet sich in den polnischen Bieszczady-Bergen, die beiden anderen in Colorado (USA) und in Rio Gallegos (Argentinien). Alle drei Stationen befinden sich in dünn besiedelten Gebieten, fernab von technischen Einrichtungen. So soll verhindert werden, dass Fremdsignale die empfindlichen Antennen stören. Wichtig für die Arbeit der Messstationen ist, dass sie möglichst autonom und ausfallsicher funktionieren. Denn Reparaturen oder Wartungsarbeiten sind aufwendig und kostspielig. Deshalb setzen die Wissenschaftler um WERA auf Leitungen von Lapp, dem Spezialisten für integrierte Lösungen der Kabel- und Verbindungstechnologie. So ist das Empfangsmodul der Station in Argentinien mit Unitronic-Liycy- und Unitronic-Lifycy(TP)-Leitungen verkabelt. Beide Lösungen eignen sich besonders gut für die Niederfrequenz-Datenübertragung in Anlagen, in denen Platzmangel herrscht. Durch ihre feinstdrähtigen Litzen und die Paarverseilung (TP-Variante) sind die Kabel sehr dünn und biegsam. Die Unitronic Lifycy (TP) erlaubt bei fester Verlegung einen engen Biegeradius vom lediglich Vierfachen ihres Außendurchmessers. Dennoch halten die Leitungen Temperaturen bis zu -40 Grad Celsius stand und sind ausgezeichnet abgeschirmt. Die Paarverseilung bei der TP-Variante verringert das Übersprechen von Signalen zwischen den Stromkreisen.

Sicher abgeschirmt: Was die Lapp-Leitung alles aushält

Die Steuerleitung Ölflex Robust 215C verbindet die Elektronik und die Antennen in der Station in Argentinien. Auch sie ist robust und sehr gut abgeschirmt. Denn die Leitung darf nicht selbst als Antenne wirken und elektromagnetische Signale auffangen oder aussenden. Die Ölflex Robust 215C ist extrem beständig gegen Ozon, UV-Strahlung und Witterungseinflüsse. Bei fester Verlegung eignet sie sich für den Einsatz in dem Temperaturbereich von -50 bis +80 Grad Celsius. Außerdem ist sie ausgesprochen unempfindlich gegenüber vielen Stoffen wie Öl, Fett und Wachs, Wasser, Ammoniakverbindungen oder Biogas. Werden Leitungen im Freien verlegt, wird es dort kritisch, wo die Leitung in ein Gehäuse eingeführt wird. Das Gehäuse darf an dieser Stelle nicht undicht sein und die Leitung sollte zugentlastet sein. Für solche Einsätze besonders gut geeignet ist die Skintop-MS-M-Kabelverschraubung. Die Verschraubung ist bis -40 Grad Celsius kältebeständig und nach IP69 zugelassen. Sie hält sogar noch dicht, wenn sie mit einem Hochdruckreiniger traktiert wird. Damit die Leitungen bis 98 Millimeter Durchmesser absolut sicher und festsitzen, verfügt das Verbindungselement über einen doppelten Lamellenkorb. aru

Bleiben Sie informiert

Diese Themen interessieren Sie? Mit unserem Newsletter sind Sie immer auf dem Laufenden. Gleich anmelden!