Mit Kupfer fing es an

Strom verbindet

Schon bald nach der Entdeckung, dass es elektrische Leiter gibt, durch die Strom fließt, wurden Kabel dazu genutzt, Informationen weiterzuleiten und Menschen miteinander zu verbinden.

Das erste transatlantische Telegrafenkabel wurde 1858 über eine Entfernung von über 2000 km verlegt. Es funktionierte allerdings nur vier Wochen lang und hat in diesen vier Wochen nur ca. 400 Nachrichten transportiert (die meisten davon Verständnisfrage wie repeat please (bitte Wiederholen)).

Telegrafenleitungen 1901
Quelle: www.wikipedia.org
Lizenz: CC BY 2.0

Der elektrische Leiter, aus dem das Telegrafenkabel bestand, war Kupfer. Auch wenn der Langstreckenversuch von 1858 nicht sonderlich erfolgreich war, setzte sich das Prinzip Kupferkabel durch: Kupfer ist auch heute noch der verbreitetste Stromleiter überhaupt und in fast allen elektronischen Geräten und ihren Anschlusskabeln verbaut. Kupfer ist deshalb so beliebt, weil er günstig ist und vor allem weil die Beweglichkeit der Elektronen in Kupfer hoch ist. Das heißt, die Elektronen können sich leicht durch den Leiter bewegen, was einem geringen Widerstand entspricht: Der Strom fließt schnell und mit dem Strom die Informationen.

Kupfer stösst an seine Grenzen

Bereits in den 1960er wurde jedoch offensichtlich, dass die ursprünglich für Telegrafie und später Telefonie gebauten Netze aus Kupferleitungen auf Dauer nicht ausreichen würden. Bereits nach wenigen hundert Metern benötigte man einen Verstärker. Darum waren gerade lange Kabel teuer und außerdem anfällig für Störungen.

Dabei wuchs der Bedarf an Vernetzung weiter: Der Vorläufer des Internet wurde erfunden, die ersten E-Mails versendet, Unternehmen wollten weltweit miteinander kommunizieren, die ersten Geldautomaten wurden angeschlossen und mussten Kontoinformationen übertragen.

1969: Der erste Geldautomat in Sidney, Australien, ist eine Nachricht wert
Quelle: Australian Broadcasting Corporation (ABC)
Lizenz: CC BY-SA 3.0 AU

Gewaltige Daten- und Gesprächsmengen mussten über große Entfernungen möglichst günstig transportieren werden. Die Kupferkabel stießen dabei an ihre Grenzen. Man begann die Suche nach einer neuen Art Kabel und fand es in einem Stoff, den man schon länger kannte: der Glasfaser.

Arbeitsauftrag 1

  1. Überprüfe dein Wissen über Kupferkabel. Lies die Kärtchen und überlege dir eine Antwort, ehe du das Kärtchen umdrehst.

Was kann man durch Kupferkabel hindurchleiten?

Elektronen bewegen sich durch das Kabel: es fließt Strom

Außer Kupfer gibt es noch andere elektrische Leiter. Warum hat man sich für Kupfer entschieden?

Kupfer ist günstig und kann durch seinen geringen Widerstand Strom gut leiten.

Warum reichten die Kupferkabel nicht länger aus?

Mit Strom können gewaltige Datenmengen schlecht transportiert werden.

Glasfaser: Was ist denn das?

Glas ist üblicherweise weder besonders stabil noch lässt es sich leicht verbiegen. Als Trinkglas oder Fensterscheibe hat dieser Werkstoff tatsächlich völlig andere Eigenschaften als Glas, das als Faden gezogen wurde.

Eine Glasfaser ist eine lange, extrem dünne, biegsame und sehr reißfeste Faser, die aus Glas besteht. Sie wird hergestellt, indem aus verflüssigtem Glas, einer Glasschmelze, dünne Fäden gezogen werden.

Glasfasern kommen auch natürlich vor, als sogenanntes Pele-Haar. Pele-Haar ist der Name für dünne Fäden vulkanischen Glases, die bei Vulkanausbrüchen aus basaltischer Lava entstehen, wenn sie von Winden verweht und langgezogen wird.

Ablagerung von Peles Haar an der Bord­stein­kante eines Park­platzes südlich des Hale­maʻumaʻu-Kraters auf Hawaii

Arbeitsauftrag 2

  1. Künstlich hergestellte Glasfasern haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Wo wurden damals oder werden heute noch Glasfasern verwendet? Unten findest du einige Einsatzformen, manche wahr, manche erfunden. Entscheide: Was gab oder gibt es wirklich?

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Endoskopie: flexible Glasfasern ermöglichen den Blick in den Körper
Glühbirnen: Thomas Eddison experimentierte mit Glasfaserfäden als Leuchtmittel
Glasfaserlampen waren in den 1980ern eine beliebte Dekoration
Glaswolle wird aufgrund gut dämmender Eigenschaften als Baumaterial eingesetzt

Quelle:https://commons.wikimedia.org
Urheber: FMI Fachverband Mineralwolleindustrie
Lizenz: CC BY-SA 3.0 DE

Glasfaserkleider wurden im 19. Jahrhundert für Reiche gefertigt

Foto: Corning Museum of Glass
Quelle:https://www.deutsches-museum.de

Photovoltaik-Anlagen werden durch Glasfasern mit Strom versorgt

Glasfasern für den Datentransport

Die Entdeckung der Glasfaser als Lichtleiter

Der Physiker Charles Kao stellte 1966 die Hypothese auf, dass dünne Faserstränge aus Glas in der Lage sein müssten, riesige Datenmengen in Form von Licht über große Entfernungen mit minimalem Signalverlust übertragen zu können. Es brauchte noch einige Jahre, bis Glasfasern so hergestellt werden konnten, dass sie der Theorie entsprachen, aber Kao sollte recht behalten. Für seine Idee wurde er 2009 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.

Wie funktioniert ein Lichtleiter?

Glasfasern werden auch Lichtleiter genannt. Sie leiten Licht nahezu verlustfrei durch eine lange, dünne Faser hindurch, indem sie sich einen Effekt zu Nutze machen, den man Totalreflexion nennt. Dabei wird durch den speziellen Aufbau der Faser das Licht immer wieder innerhalb der Faser reflektiert, wenn es beim Eintritt in bestimmten Winkeln auf die Mantelwände trifft. (mehr zur Totalreflexion hier)

So können mit Lichtgeschwindigkeit Informationen mittels Laser oder Lichtdioden in die Faser eingespeist werden. Heute kann Glasfaser mehr als hundert verschiedene Wellenlängen gleichzeitig übertragen, was die Kapazität jeder einzelnen Faser enorm erhöht.

Wie ist ein Glasfaserkabel aufgebaut?

Einzelne Glasfasern bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten, dem Kernglas, dem Mantelglas und der Beschichtung. Das Kernglas wird aus hochreinem Glas hergestellt, das die zu übertragenden Informationen mittels der eingespeisten Lichtwellen transportiert. Um den Kern befindet sich das Mantelglas. Es verhindert, dass das Licht austritt. Die Beschichtung besteht aus Kunststoff, der das Glas schützt.

In einem typischen Glasfaserkabel werden viele einzelne Glasfasern gebündelt. Typischerweise bestehen Glasfaserkabel in Deutschland aus 192 einzelnen Fasern. Ein solches Kabel hat einen Durchmesser von 2 cm.

Arbeitsauftrag 3

  1. Unten siehst du ein Beispiel für ein Glasfaserkabel, wie es in deiner Straße verlegt sein könnte. Klicke die Pfeile an, um zu entdecken, was sich darin befindet.

Arbeitsauftrag 4

  1. Auf dem Foto siehst du von links nach rechts: ein Haar, Nähgarn, Nähnadel, Stopfnadel und einen Wollfaden. Schätze, wie dick das Kernglas in einem Glasfaserkabel ist.

Eine Glasfaser ist so dick wie…

Glasfaser gegen Kupfer

Glasfaserkabel sind Kupferkabeln in vieler Hinsicht überlegen. Dennoch haben auch sie Vorteile und sind aus unserem täglichen Gebrauch nicht wegzudenken.

Arbeitsauftrag 5

  1. Ordne zu: Welche Eigenschaften gehören zu Kupferkabeln, welche zu Glasfaserleitungen?
    Manches kannst du erschließen, manches musst du vielleicht raten. Durch Klick auf Auswerten erfährst du die Lösung.

Arbeitsfläche

Kupferkabel

Glasfaserkabel

nicht für explosionsgefährdete Bereiche geeignet
benötigt bei höherer Bandbreite deutlich mehr Material
geringerer technische Aufwand, daher günstiger
abhörsicher: kann nicht unbemerkt "angezapft" werden
geringere Übertragungs­bandbreite
für weite Strecken geeignet
höhere Zugfestigkeit
Umwandlung von elektrischem in optisches Signal und zurück nötig
empfindlich gegen Nässe und Feuchtigkeit
geringeres Gewicht
empfindlich gegen elektrische und elektromagnetische Störeinflüsse
Netze aus diesem Material verbrauchen deutlich weniger Strom
nimmt weniger Platz in Kabelkanälen ein
hohe Übertragungs­bandbreite
erzeugt ein Magnetfeld außerhalb des Kabels
überträgt Daten in Lichtgeschwindigkeit