Per anni le frequenze nell’ordine dei Terahertz (THz) sono state considerate una sorta di terra di nessuno dello spettro elettromagnetico: troppo alte per l’elettronica tradizionale, troppo basse per la fotonica. Oggi, però, la corsa a nuova banda disponibile per le reti di comunicazione sta riportando l’attenzione su questo “Terahertz Gap”. Ne abbiamo parlato con Francesco Capelletti, dottorando al Politecnico di Milano.

Dove si collocano i THz nello spettro

Un Terahertz corrisponde a 1000 GHz, quindi siamo nell’ordine di 10^12 Hz. La banda THz è centrata attorno a 1 THz e si estende grossomodo da 0,1 THz (100 GHz) fino a 10 THz, con lunghezze d’onda che vanno dai 3 mm ai 30 micrometri. A sinistra di questa banda troviamo lo spettro delle microonde (300 MHz–300 GHz), dominio dell’elettronica tradizionale e dei sistemi radio come 5G, Wi-Fi e Bluetooth. A destra troviamo l’infrarosso (centinaia di THz), dominio della fotonica e dei laser. I THz si trovano esattamente nel mezzo, e per molto tempo questa posizione “di confine” li ha resi poco appetibili. La crescente domanda di banda ha però spinto la ricerca a colmare questo gap.

Il grande vantaggio: tanto spettro libero

I sistemi terrestri attuali (5G, Wi-Fi, Bluetooth) operano in gran parte sotto i 10 GHz, una porzione di spettro già molto congestionata. Nella banda “sub-THz”, tra 250 e 450 GHz, esistono invece circa 160 GHz di spettro disponibile. Seguendo il teorema di Shannon — più banda, più capacità — questo apre la porta a velocità di trasmissione dell’ordine dei 100 Gbps, con stime ancora più ambiziose che parlano di Terabit per secondo.

Le sfide: niente è gratis

Due i problemi principali. Il primo è la perdita di segnale in spazio libero, che cresce con il quadrato della frequenza: a 300 GHz la perdita è circa 900 volte maggiore che a 10 GHz. Per compensare servono antenne molto più direttive, con guadagni dell’ordine di 40-50 dB. Il secondo problema è la scarsissima capacità di penetrazione: muri, edifici e ostacoli bloccano facilmente le onde THz.

Da difetto a vantaggio: sicurezza e backhaul

Proprio la scarsa capacità di penetrazione, che sembra un limite, può diventare un punto di forza. In ambienti indoor, un sistema che comunica via THz è difficile da intercettare dall’esterno, perché il segnale semplicemente non esce dall’edificio: una forma di sicurezza intrinseca contro attacchi di ascolto o manomissione.

All’aperto, invece, una delle applicazioni più promettenti per le future reti di sesta generazione (6G) è il backhaul wireless: oggi i collegamenti punto-punto tra le antenne e il resto della rete passano quasi sempre per fibra ottica. Sostituirli con link wireless in banda THz porterebbe vantaggi in termini di costi e tempi di installazione (specialmente in Italia, dove la burocrazia rallenta molto la posa di nuova fibra) e soprattutto di flessibilità: in occasione di un grande evento, come una partita allo stadio, si potrebbero “ripuntare” i fasci THz per scaricare il traffico sulle celle più sovraccariche.

L’atmosfera come ostacolo invisibile

All’aperto, il vero ostacolo è l’atmosfera stessa. L’ossigeno ha un impatto trascurabile, mentre il vapore acqueo introduce un’attenuazione significativa (5-20 dB/km nella banda 250-450 GHz). Pioggia e nebbia, fenomeni che dipendono dalle dimensioni delle particelle d’acqua rispetto alla lunghezza d’onda, hanno invece un effetto relativamente contenuto sui THz — molto meno marcato di quanto accade nei sistemi ottici in free space (FSO), che lavorano a centinaia di THz e sono fortemente penalizzati dalla nebbia. Questo apre a scenari di sistemi multi-frequenza per il 6G: in condizioni normali si usa il collegamento ottico ad altissima capacità, mentre in caso di nebbia si passa “in backup” alla banda THz, più robusta anche se con banda inferiore.

E la salute?

Sul tema, spesso oggetto di paure ingiustificate (come accaduto con il 5G), Capelletti è netto: le onde nell’ordine dei THz non sono radiazioni ionizzanti come i raggi X. L’energia di un fotone in questa banda non è sufficiente a rompere legami chimici o ad alterare il DNA. L’unico effetto fisico osservabile è di tipo termico, lo stesso riscaldamento superficiale che si verifica con qualsiasi sistema wireless a frequenze inferiori. Inoltre, a differenza del 5G, gli scenari d’uso dei THz non prevedono una copertura diffusa nell’ambiente, ma fasci direttivi e concentrati per collegamenti punto-punto, spesso installati su edifici o pali, lontano dal livello stradale. La questione, quindi, non è tanto medica quanto di corretta progettazione e installazione, evitando che i fasci concentrati attraversino aree molto frequentate.