5D-Datenspeicher und die Zukunft optischer Speichertechnik

Nach Ansicht von Forschern liegt die Zukunft der Datenspeicherung in optischen fünfdimensionalen Techniken (5D), die Hunderte von TByte über Milliarden von Jahren speichern können.

Bereits 2013 haben Wissenschaftler der University of Southhampton gezeigt, wie sich eine 300 KByte große digitale...

Kopie einer Textdatei in Quarzglas speichern lässt. Seit diesem Zeitpunkt haben sie fieberhaft daran gearbeitet, diese so genannte fünfdimensionale Technik weiter zu verbessern und zu demonstrieren, dass sie sich auch dafür eignet, große Mengen an Daten sicher und dauerhaft zu lagern. Nach und nach bereiten sie ihre Erkenntnisse auch für eine kommerzielle Nutzung vor. Die Bezeichnung fünfdimensional bezieht sich auf die Faktoren Größe sowie Positionierung und die drei Dimensionen Höhe, Breite und Länge, die die dabei verwendeten Nanostrukturen belegen.

Das neue Storage-Medium, auch als 5D-Speicherkristall bezeichnet, nutzt superschnelle Lasertechnik, um Daten in verschiedenen Schichten des verwendeten Glases unterzubringen. Dadurch lässt sich eine Speicherdichte erreichen, wie sie mit bisherigen Storage-Technologien bei weitem nicht möglich ist. Die Forscher gehen außerdem davon aus, dass 5D-Storage durchaus Milliarden von Jahren überstehen kann, ohne dass sich Umwelteinflüsse negativ auswirken können, wie dies bei anderen Medien häufig der Fall ist.

Was genau ist 5D-Storage?

Die Idee, Daten mit Hilfe von ultraschnellen Lasern in transparenten Materialien unterzubringen, existiert bereits seit 1996. Es dauerte aber 17 Jahre, bis es Forschern gelang, diese Überlegungen auch in der Praxis umzusetzen. Die von ihnen entwickelte Technik bietet jetzt einen neuen, geradezu revolutionären Ansatz, um Daten in Zukunft optisch zu speichern.

Anstatt auf reflektierende Linien in Plastik zu vertrauen, wie es etwa bei CDs und DVDs üblich ist, nutzt die 5D-Technik Punkte, die in mehreren Ebenen in Quarzglas untergebracht werden. Jeder Punkt besteht aus Vertiefungen oder Gittern, in denen die Daten gespeichert werden können. Ein äußerst präziser Laser brennt dazu die Gitter mit kurzen intensiven Lichtimpulsen direkt in das Glas. Jede Disk enthält drei Ebenen mit Punkten, die nur fünf Mikrometer voneinander entfernt liegen.

Die bislang für 5D-Storage genutzten Platten haben etwa einen Durchmesser von 25 Millimeter. Die Forscher gehen jedoch davon aus, dass es künftig auch möglich sein wird, Storage-Medien zu nutzen, die mehrere Meter durchmessen. Derzeit arbeiten sie an Standard-Disks, die einen Durchmesser von 12 Zentimeter haben sollen.

Die Wissenschaftler schätzen, dass sich darin bis zu 360 TByte Daten oder 72 Millionen Fotos für bis zu 13,8 Milliarden Jahre bei Temperaturen von bis zu 190 Grad Celsius speichern lassen. Aktuelle optische Speichertechniken kommen bei weitem nicht an diese Werte heran. So kann eine CD nur rund 700 MByte an Daten aufnehmen, während es bei einer DVD zwischen 4,7 und 8,5 GByte an Daten sind. Bei einer Blu-ray sind es immerhin 25 GByte Daten oder mehr. Die vermuteten Lebensdauern dieser Medien betragen jedoch nur zwischen zwei und einhundert Jahren.

Ein 5D-Speichermedium, das die Allgemeine Erklärung der Menschenrechte der Vereinten Nationen enthält.
Abbildung 1: Ein 5D-Speichermedium, das die Allgemeine Erklärung der Menschenrechte der Vereinten Nationen enthält.

Die erst später eingeführte M-Disk verspricht längere Zeiten. Wie auch eine Blu-ray kann eine M-Disk etwa 25 GByte an Daten aufnehmen. Ihre Lebensdauer soll aber bis zu 1.000 Jahre betragen. Außerdem ist sie weit besser gegen Umwelteinflüsse geschützt als andere Medien.

Den Forschern ist es sogar gelungen, zu beweisen, dass die Glasscheiben selbst bei Temperaturen von 1.000 Grad Celsius noch keine Daten verloren haben. Die Platten sind zudem resistent gegen Kratzer, Abnutzungserscheinungen und andere Schäden, die traditionelle optische Speichermedien beeinträchtigen. Sie können sogar das Gewicht von mehr als einer halben Tonne aushalten, ohne davon Schaden zu nehmen.

Wie 5D-Storage funktioniert

Quarzglas ist eine nichtkristalline Form von Siliziumdioxid, die in Massen in Sand, Quarzkristallen und anderen Materialien gefunden werden kann. Es ist bislang das reinste verfügbare Glas. Als rein synthetisches Produkt unterscheidet es sich von traditionellen Glasformen, weil es keinerlei andere Bestandteile enthält. Das macht es so gut geeignet für die benötigte Präzision, um 5D-Daten zu schreiben und zu lesen.

Das Quarzglas ist aber nur ein Bestandteil der neuen Anwendungen. Die 5D-Technik basiert auch zu einem wesentlichen Teil auf sogenannten Femtosekundenlasern. Nur damit ist es möglich, die Daten in das Glas schnell und präzise einzubrennen, noch dazu auf verschiedenen Ebenen. Diese Laser geben Lichtimpulse in extrem kurzen Zeitabständen ab, die Femtosekunden genannt werden. Eine Femtosekunde ist nur ein Millionstel einer Nanosekunde lang oder 10-15 einer normalen Sekunde.

Femtosekundenlaser werden auch in der Chirurgie verwendet, etwa bei der Korrektur des Sehvermögens von Patienten. Wenn sie bei Quarzglas genutzt werden, um Daten einzubrennen, dann erstellen sie winzige Nanostrukturen, die Nanogitter genannt werden. Diese sind nur etwa 20 Nanometer groß. Die Größe einer Nanostruktur bewegt sich normalerweise zwischen mikroskopisch und molekular. Beim 5D-Storage bestehen die Strukturen aus den Nanogittern, die in das Glas eingebrannt wurden. Man nennt sie auch selbstorganisiert oder selbstzusammengesetzt, weil sie sich als Reihe von Punkten darstellen. Jedes dieser Nanogitter kann acht Bit an Daten aufnehmen.

Die Besonderheiten dieser Nanogitter sind natürlich noch weit komplexer und detaillierter als sie hier beschrieben werden können. Wichtig ist aber, dass die Nanogitter die Art ändern, wie sich das Licht durch das Glas bewegt. Dadurch ändert sich die Polarisierung, ähnlich wie polarisierte Sonnenbrillen dafür sorgen, dass die Sonne nicht mehr so stark blendet.

Diese Polarisierung ist einer der Gründe, warum die Technik als fünfdimensional bezeichnet wird. Die ersten drei Dimensionen bestehen aus den drei Ausrichtungen der Punkte im Raum, die in das Glas gebrannt werden. Die anderen beiden Dimensionen basieren auf einem Phänomen, das Doppelbrechung oder Birefringence genannt wird. Dabei handelt es sich um eine besondere Eigenschaft, die Nanogittern eigen ist.

Zwei Faktoren bestimmen diese Doppelbrechung. Die erste ist eine langsame Orientierung der Achse, die mit der Orientierung des Nanogitters innerhalb des Glases übereinstimmt. Die zweite ist der Umfang der Verzögerung des Lichts, die mit der Größe des Nanogitters zusammenhängt.

Sowohl die Orientierung als auch die Größe der Strukturen beeinflussen nämlich, wie das Licht reagiert, wenn es auf ein Nanogitter trifft. Durch einen Wechsel der Polarisierung und Intensität kann der Strahl des Femtosekundenlasers die Orientierung und Verzögerung genau kontrollieren, so dass die gespeicherten Daten später mit Hilfe einer quantitativen Analyse der Doppelbrechung wieder ausgelesen werden können. Die Orientierung und die Größe sind deswegen die vierte und die fünfte Dimension der 5D-Technik, so dass die Platten weit größere Speicherintensitäten erreichen können, als es mit nur drei Dimensionen möglich ist. Weil die Nanogitter von verschiedenen Richtungen aus gelesen werden können, sind sie zudem in der Lage, jeweils acht Bits an Daten zu speichern und nicht nur eines.

Die Doppelbrechung ist ein wichtiger Punkt, wenn es um das Schreiben von Daten ins Glas geht. Während dieses Prozesses wird die Polarisierung genutzt, um die Achse langsam zu drehen. Die Stärke des Lichts hängt gleichzeitig mit der Verzögerung zusammen, so dass eindeutige Muster entstehen, die den gespeicherten Daten entsprechen. Später können die abgelegten Daten mit einem optischen Mikroskop in Verbindung mit einem Polarisator wieder ausgelesen werden. Auf diese Weise ist es möglich, alle fünf Dimensionen zu nutzen, wenn ein Zugriff auf die Daten in einem 5D-Storage erfolgen soll.

Kommerzielle Bedeutung von 5D-Storage und Ausblick

Noch müssen erste größere kommerzielle Anwendungen für die 5D-Technik in der Praxis umgesetzt und verfügbar werden. Das liegt unter anderem an den hohen Kosten für die dabei verwendeten speziellen Laser. Die Technik ist vor allem für alle Organisationen interessant, die große Datensammlungen speichern müssen. Dazu gehören zum Beispiel Museen, Büchereien und Archive, aber auch viele große Unternehmen. Den Forschern ist es bereits gelungen, besondere Dokumente wie Opticks von Isaac Newton, die Magna Carta und die Allgemeine Erklärung der Menschenrechte der Vereinten Nationen auf entsprechenden Scheiben zu speichern.

In jüngerer Vergangenheit machte die Meldung Schlagzeilen, dass ein mit 5D-Datenspeicher versehener Tesla Roadster von Elon Musk an Bord der Space-X-Rakete Falcon Heavy untergebracht worden war, die im Februar 2018 vom Kennedy Space Center in Florida in den Weltraum startete. Die Rakete, das Auto und das darin enthaltene 5D-Speichermedium bewegen sich seitdem in einem Orbit um die Sonne, die der Laufbahn des Mars ähnelt. Auf dem 5D-Speicher befindet sich unter anderem auch der komplette Foundation-Zyklus, eine bekannte Science-Fiction-Serie von Isaac Asimov.

Das Tesla-Experiment belegt, wie hoch die Begeisterung rund um den neuen 5D-Datenspeicher bereits Wellen schlägt. Aber das ist auch kein Wunder, wenn man bedenkt, dass die Technologie durchaus in der Lage ist, den optischen Speicher fit für das 21. Jahrhundert zu machen – und vielleicht sogar für die folgenden Jahrhunderte.

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