Halo, je tam podmornica?
Ni kraja na kopnem, od koder ne bi mogli vsaj nekako stopiti v stik s civilizacijo. Če ne drugače, lahko v najbolj odmaknjenih kotičkih uporabimo satelitski telefon. Povsem drugače pa je pod tremi četrtinami površja, ki ga pokrivajo oceani. Elektromagnetno valovanje v vodo prodira zelo slabo, zato na podmornicah ni interneta, raziskovalna potopna plovila so privezana s kabli, črnih skrinjic pa včasih ne najdejo. In GoPro ne najde Wi-Fija.
Ko so letos na MIT razkrili praktični način za enosmerno komunikacijo podmornic z okolico nad gladino, se je marsikdo začudil. Raziskovalci so pokazali, kako lahko potopljeni predmeti oddajo zvočne valove, ki površino malenkostno vzbudijo, te spremembe pa lahko prepoznajo sonarji, ki so v zraku nad gladino. Mar pri podmornicah res ni enostavnejšega načina za komunikacijo s celino? In kako s celine komunicirajo s podmornicami? Izkaže se, da sta odgovora na ti vprašanji: ne in zelo težko.
Kdor je že gledal kak akcijski ali vohunski film, ki se dogaja na podmornicah, bo nad tem presenečen. Zvok v vodi vendarle izvrstno potuje, saj kiti pojejo tudi tisoče kilometrov daleč. Toda oceani oziroma voda na splošno imajo zoprno lastnost, da zelo dobro absorbirajo elektromagnetno valovanje, še večjo oviro pa predstavlja gladina, saj se na meji med zrakom in vodo večina valovanja odbije. Kako torej priklicati podmornico? In kako bodo komunicirale podvodne naselbine prihodnosti, če jih bomo kdaj dočakali? Obstaja podvodni Wi-Fi?
Na internetu lahko najdemo številne posnetke, kako vodoodporne kamere, ki podpirajo Wi-Fi ali Bluetooth, že zgolj kakšen meter pod gladino izgubijo povezavo. Čim bolj je voda umazana ali slana, tem izrazitejši je ta učinek. Podvodnega Wi-Fija ne bo. Tudi brezžično krmiljenje robotov, ki bi na primer igrali podvodni hokej, ali pa podmorskih plovil (ROV), ki bi raziskovala v morskih globinah, je velik izziv in ni izvedljivo z radijskimi valovi. Najdražjo rešitev je seveda našla vojska.
Blizu Murmanska na polotoku Kola v Rusiji, kjer ima sedež ruska severna flota, sta dve 60-kilometrski ozemljeni anteni, ki ju napaja posebna elektrarna. Po njiju tečejo tokovi od 200 do 300 A s frekvencami od 20 do 250 Hz. Na obeh koncih sta ozemljeni z dolgim kablom, ki v vrtini poteka še globoko pod površje. Ne gre za kakšen zapuščeni ostanek hladne vojne, kot je na primer sovjetski kompleks Duga blizu Černobila, temveč resno vojaško opremo. Podoben sistem so na severni meji ob Velikih jezerih zgradili tudi Američani in ga uporabljali do leta 2004 ter Indijci, ki so ga zagnali leta 2014.
Penetracija
V vodo v znatne globine ne prodrejo tako rekoč nobeni uporabni radijski valovi. Tudi navadna svetloba (370–750 THz) se v njej hitro absorbira in pod 200 metri vlada tema. Valovanja nižjih frekvenc, ki jih uporabljamo za običajen prenos informacij, pa so še bolj brezupna. Vzroka sta dva: morska voda je zaradi slanosti zelo električno prevodna, poleg tega pa še dobro absorbira. Če temu dodamo še gladino, kjer so izgube zaradi odboja ogromne, postane komunikacija s potopljenimi predmeti velik izziv.
Fizikalna razlaga ni zelo zapletena (glej okvir), natančni modeli za globino penetracije elektromagnetnega valovanja v slano vodo pa nekoliko bolj, zato povzemimo le izid. Radijski valovi morajo imeti frekvenco pod 10 kHz (VLF – very low frequency), da v vodo prodrejo vsaj nekaj deset metrov. Za robote v bazenih in priobalni plitvinah bo dovolj. Za podmornice pa je to premalo, saj so ob normalnem obratovanju globlje. Tja pridemo zgolj z ekstremno nizkimi frekvencami (ELF ¬– extremely low frequency) pod 300 Hz, ki v slano vodo prodrejo do nekaj sto metrov, kar je dovolj, da jih podmornice prestrežejo tudi med normalnim delovanjem. Za vse ostalo, vključno s televizijskim signalom, z radijskimi valovi in mobilnimi omrežji, so podmornice »gluhe«. Pod morjem vlada radijska tišina. (Situacija je nekoliko drugačna za elektromagnetna sevanja kratkih valovnih dolžin, kot je svetloba, kar pojasnjujemo v okvirju.)
Komunikacija
Čez palec smemo poenostaviti, da živimo v svetu, ki ga omogoča frekvenca 2,4 GHz. Brezžični usmerjevalniki, Bluetooth, upravljalnik garažnih vrat, brezžični telefon … Vse to deluje pri 2,4 GHz. Razlogov je več. Nekateri so pravni, saj je ta frekvenčni pas v večini držav odprt in prost za uporabo, nekateri pa fizikalni. Ta frekvenčni pas lepo potuje skozi ovire, ne zahteva prevelikih anten in – je uporaben za mikrovalovne pečice.
Resnično, te so obstajale pred vsemi brezžičnimi novotarijami, ko je bil spektralni pas okrog 2,4 GHz nedodeljen in nelicenciran. Mikrovalovke uporabljajo to frekvenco, ker se voda, ogljikovi hidrati, maščobe in druge v hrani prisotne snovi ob tej frekvenci hitro segrejejo (dielektrično segrevanje). Izolatorji pod vplivom izmenične električne poljske jakosti hitro menjajo smer polarizacije, kar povzroča pretvarjanje električne energije v rotacijo, torej toploto. Običajno so to izgube, v mikrovalovki pa to želimo. In tako je moderna elektronika dobila ta del spektra, ki za kaj drugega ni bil uporabljen.
To je tudi dobrodošla lastnost tega dela spektra. Ker voda močno interagira z njim in je je v ozračju vedno zadosti, ne glede na moč oddajnika Wi-Fi ne bomo mogli preglasiti nekoga na drugem koncu mesta.
Načelno velja, da ima elektromagnetno valovanje višjih frekvenc večjo kapaciteto, torej lahko prenese več informacij. Temu pravimo Shannonov izrek. Po Wi-Fiju lahko zato prenašamo velike datoteke, dolgovalovni del spektra je primeren za radio AM (148,5–283,5 kHz), medtem ko zelo nizke frekvence za komunikacijo s podmornicami niso uporabne za nič drugega kot pošiljanje besedila in preprostih ukazov. Hitrost VLF je okrog 100 b/s, ELF pa vsega nekaj bitov na minuto.
Produkcija
Antena je že stoletje star izum. Najpogostejše so dipolne antene (antena lambda polovic), ki jih sestavlja raven vodnik s transmisijsko linijo na sredini. V približku lahko elektromagnetno valovanje, ki ga oddaja takšna antena, na zadostnih razdaljah opišemo kot koncentrične kroge s središčem v sredini antene.
Pomembna karakteristika vsake antene je njena pasovna širina. Ta označuje razpon uporabnih frekvenc, ki jih lahko antena učinkovito oddaja. Z njo namreč ne moremo oddajati kar valovanja poljubne frekvence, s katerim bi jo vzbujali, temveč mora biti tudi fizično primerno dizajnirana. Tehnično pravimo, da mora biti impedanca transmisijske linije čim bliže kompleksni konjugiranki impedance antene, po domače pa to pomeni, da mora biti antena približno tako velika (govorimo o velikostnih razredih), kot je polovica valovne dolžine (od tod ime lambda polovic).
Velikost klasične dipolne antene mora biti primerljiva s polovico valovne dolžine oddanega valovanja.
Valovna dolžina za 2,4-GHz Wi-Fi je 12,5 centimetra, za mobilna omrežja 800 MHz pa 37,5 centimetra. To seveda ne pomeni, da moramo imeti tako velik telefon. Pomeni pa, da antena ne more biti stokrat manjša.
Preizkušena rešitev – boje
Največji svetovni sistem za opozarjanje na tsunamije je položen v Tihem oceanu. Pomemben del predstavlja tako imenovan DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis), ki ga sestavljajo senzorji na oceanskem dnu in boje na gladini.
Senzorji zaznavajo spremembe tlaka, ki so posledica tsunamijev, in informacijo oddajo v obliki zvočnih valov. Ti potujejo do plavajočih boj, ki zaznajo signal in ga po satelitskem omrežju Iridium posredujejo naprej. To je preizkušena, a sorazmerna draga rešitev, saj zahteva postavitev omrežja boj po celotnem območju, ki ga želimo pokriti.
Tlačni senzorji za zaznavanje tsunamijev oddajajo zvočno valovanje, ki ga prestrežejo boje, te pa naprej komunicirajo z radijskimi valovi. Fotografija: USA NOAA, javna last
In s tem smo prispeli do tretjega izziva, ob katerega so trčili razvijalci sistema za podmorsko komunikacijo. Ne le da v vodo prodirajo le ekstremno nizke frekvence in da prek njih lahko podatke prenašamo zelo počasi, temveč valovna dolžina pri frekvenci 100 Hz znaša 3000 kilometrov. Tako dolge dipolne antene seveda ni mogoče izdelati. Polmer celotne Zemlje namreč znaša zgolj 6370 kilometrov.
Vojaški inženirji so staknili glave in rešitev ponuja prav naslednji uvid. Kot anteno lahko uporabijo kar celotno Zemljo, pa bodo oddajali na ekstremno nizkih frekvencah. To je razlog, da so Američani zgradili sistem WTF/MTF, Rusi ZEVS in Indijci INS Kattabomman. Morali so oddajati valovanja ekstremno nizkih frekvenc, ki so jih njihove podmornice lahko slišale kjerkoli na svetu.
Če na področju z zelo nizko prevodnostjo tal dovolj vsaksebi (več deset ali sto kilometrov) zakopljemo dve veliki elektrodi, skozi kateri vodimo velike tokove, bodo ti tekli globoko v Zemljo. Tako lahko ves planet deluje kot velikanska antena, oddano valovanje pa je seveda mogoče zaznati povsod. In prodre tudi do globin, kjer plovejo podmornice, kar je lahko tudi do 300 metrov. Tam jih namreč sonarji težje zaznajo, ker je to sorazmerno razburkana, a dovolj globoka cona.
Kaj je elektromagnetno valovanje
Radijski valovi in svetloba so le druga stran istega kovanca. Spekter elektromagnetnega valovanja sestavljata nihajoče električno in magnetno polje, ki sta pravokotni in v fazi. Sega od izjemno dolgih radijskih valov do kratkovalovnega sevanja gama. Hitrost valovanja je kar svetlobna hitrost (300.000 km/s). Frekvenca in valovna dolžina sta obratno sorazmerni, da je njun produkt hitrost. Energija je sorazmerna s frekvenco, zato so kratkovalovna sevanja (gama žarki, rentgenski žarki, UV) nevarna, dolgovalovna (radijski valovi, mikrovalovi, IR) pa precej manj.
Zakaj torej radijski valovi kot ena skrajnost in gama žarki na drugem koncu spektra potujejo skozi zidove, vidna svetloba pa ne? Zaradi valovne dolžine. Radijski valovi so mnogo predolgi, da bi se zmenili za tanke zidove (ustavijo pa jih gore), gama žarki pa dovolj kratki, da se »izmuznejo med atomi«. Valovna dolžina vidne svetlobe je primerljiva z molekularno strukturo, zato jo večina snovi hitro ustavi, ne pa tudi zrak, voda ali steklo. Rigoroznejši pogled na isti fenomen za razlago uporabi energijske nivoje. Fotoni (nosilci elektromagnetnega polja) vidne svetlobe ima ravno dovolj energije, da interagirajo z elektroni in atomi, medtem ko so fotoni gama žarkov preveč energetični, radijski valovi pa premalo.
ZEVS in Project ELF
Za obstoj oddajnika ZEVS je zahodni svet izvedel januarja 1990, ko so signal s frekvenco 82 Hz zaznavali po vsem svetu, od Norveške in Aljaske do Antarktike in Nove Zelandije. Raziskovalci so hitro ugotovili, da izvira iz Rusije, in pravilno prevideli, da je antena orientirana v smeri vzhod–zahod. Glede na geološke informacije o nizki prevodnosti tal na Koli so tudi pravilno sklepali, da mora biti nov sistem tam.
Kasneje smo dobili potrditev, da gre za 60-kilometrska »oddajnika« blizu Murmanska, ki ju napaja posebna elektrarna. To je potrebno, saj za delovanje potrebujemo visoke tokove. Dejanska oddajna moč je zaradi velikanskih izgub (tla so izjemno slabo prevodna) zgolj nekaj vatov, a to zadostuje za slišnost po vsem svetu. Oddajnik je pač celoten planet. Ruski sistem je za 10 dB močnejši od starejšega ameriškega.
Približna lokacija kablov za oddajnik ZEVS.
Ameriški sistem se imenuje Project ELF ali WTF/MTF (Wisconsin/Michigan Transmitter Facility) in je deloval od leta 1985 do 2004. Oddajal je na frekvenci 76 Hz z močjo 3 W, za kar je potreboval 2,3 MW električne energije. Pri tej frekvenci je zmogel prenašati informacije s hitrostjo ene črke na pet minut.
V resnici so ga zgradili že leta 1969, ko so na vrhuncu hladne vojne razmišljali celo o megalomanskem sistemu z 9700 kilometri položenih kablov na 58.000 kvadratnih kilometrih, kar bi napajalo 100 podzemnih elektrarn. Iz tega ni bilo nič, so pa leta 1989 zagnali pomanjšano pilotno različico, ki je še vedno imela 135 kilometrov kablov. V resnici sta WTF in MTF ločena sistema, ki pa sta običajno oddajala sinhronizirano.
Postaja ELF v Clam Laku v Wisconsinu, kjer je med leti 1985-2004 deloval eden izmed dveh oddajnikov ekstremno dolgih radijskih valov za komunikacijo s podmornicami. Fotografija: ameriška mornarica, javna last
VLF
WTF/MTF je prenehal delovati, ker se preprosto ni več izplačal. ELF je bil za kakršnokoli pomembno komunikacijo nepraktičen (dvanajst znakov na uro!), zato prek njega niso prenašali dejanskih ukazov, temveč zgolj informacije, kam in kdaj naj se podmornice odpravijo, da so bodo z njimi kontaktirali drugače. Eden od teh načinov je VLF, ki ima že zadostno prepustnost, da lahko prenaša daljša besedila sporočila. Hkrati pa današnje implementacije zmorejo prodreti do okrog 40 metrov v morje.
Izgube signala
Da se radijski valovi v vodi ne prenašajo preveč dobro, je razumljivo z osnovnim znanjem fizike. Kakor znotraj Faradayeve kletke ni elektromagnetnih polj, ker ta v prevodnem plašču kletke inducirajo takšno porazdelitev nabojev, da nastala polja znotraj kletke izničijo zunanje polje, tako tudi prevodna slana voda izvrstno zaduši radijske valove.
Natančno modeliranje je zahtevno, ker je faktor dušenja odvisen od frekvence valovanja, prevodnosti medija, njegove permitivnosti in permeabilnosti. Poenostavljeno lahko rečemo, če bi bila morska voda destilirana, bi radijski valovi prodirali malo globlje, če pa bi bili oceani iz živega srebra (ali katere druge kovine), pa skoraj nikamor.
Če krajši valovi (višja frekvenca) prodirajo čedalje manj globoko, zakaj v vodi vidimo? Ker dielektrična konstanta v resnici ni konstanta. Obnašanje vode je odvisno od frekvence, saj se za elektromagnetna valovanja pod frekvenco 250 GHz obnaša kot prevodnik, medtem ko nad to frekvenco (torej tudi za svetlobo) postane dielektrik. Svetloba v vodi zato prodre do okoli 200 metrov, ko se absorbira po drugačnem fizikalnem mehanizmu.
In ne, ni naključje, da v vodi od vseh elektromagnetnih valovanj najdlje potuje ravno vidna svetloba. Oči živih bitij so se ravno zato razvile, da vidijo ta del spektra, zato mu pravimo vidna svetloba.
V vodo prodira le vidna svetloba, radijski valovi pa le z neuporabno nizkimi frekvencami.
Tudi za VLF potrebujemo velike antenske sisteme, kjer v kilometrskem krogu namestimo več anten, ki še vedno porabijo kakšen megavat energije. VLF ima v primerjavi z nišno uporabnostjo ELF več odjemalcev. Ker se valovi VLF odbijajo od ionosfere in sledijo ukrivljenosti Zemlje, so se v letih 1900–1925 uporabljali tudi v telegrafiji, danes pa so pomembni v geoloških in atmosferskih raziskavah in za vojaško komunikacijo.
Kaj pa zvok
Če ne gre z elektromagnetnim valovanjem (radijskimi valovi), pa bi lahko šlo z zvokom. Že pred petimi leti so raziskovalci z univerze Buffalo preizkušali podvodni Wi-Fi, ki je uporabljal zvok in je imel domet dober kilometer. Prvi testi v jezeru Erie so bili obetavni, saj so na razdalji 1500 metrov komunicirali z dvema oddajnikoma z močjo 3,4 W. Promet je tekel po protokolu TCP/IP.
Tri leta pozneje je bil sistem razvit že do te mere, da je dosegal hitrosti prvih modemov, ki smo jih uporabljali pri povezavah na klic (nekaj deset kilobitov na sekundo). To seveda ne pomeni, da bodo podmornice dobile internet, bi pa utegnilo zadostovati za boljšo povezljivost potapljačev, osnovno komunikacijo z raziskovalnimi minipodmornicami (ROV) ipd. Navsezadnje – če želimo na daljavo krmiliti ROV in želimo živo sliko, je trenutno edina možnost, da so fizično z dolgim kablom povezane z nadzorno ladjo. Če bo uspelo raziskovalcem postaviti podvodni Wi-Fi, bo šlo tudi brez tega.
Univerza Buffalo je razvila podvodni Wi-Fi, ki za komunikacijo prek standardnega protokola TCP/IP uporablja zvok. Fotografija: Douglas Levere, WINES Lab, Univerza Buffalo
TARF
Raziskovalci z MIT so letos v praksi prikazali, kako potopljeni oddajniki komunicirajo s sprejemniki na površju. Ker radijski valovi v prevodni vodi hitro zamrejo, zvočni valovi pa se odbijejo od gladine in ne prodrejo iz vode, so uporabili oboje. Sistem so poimenovali TARF (translational acoustic-RF communication). V vodi komunikacija poteka akustično, v zraku pa radarsko.
Oddajnik v vodi oddaja zvočne signale (longitudinalno valovanje samega medija, torej vode), ki se po njej odlično širijo. Ko pridejo do gladine, tam povzročijo nihanje gladine. To ima zelo majhno amplitudo, saj so spremembe milimetrske in prostemu očesu nevidne, toda izmerimo jih lahko z radarjem, če imamo v zraku natančnem merilnik. Z oddajanjem radijskih valov (60 GHz) in merjenjem odboja lahko zazna nihanje gladine zaradi podvodnih zvočnih valov, kar pretvori v informacijo, ki smo jo tako uspešno prenesli iz vode v zrak.
Gladina seveda ne miruje niti sama po sebi, saj so valovi že v bazenu, na odprtih morjih pa še toliko večji. K sreči to ne predstavlja prevelike ovire, saj imajo različno frekvenco. Medtem ko je frekvenca naravnih valov okrog 1–2 Hz, TARF modulira zvočne valove s 100–200 Hz. Tako različne frekvence zlahka razločimo, četudi imajo bistveno različne amplitude.
Sistem so v praksi preizkusili v bazenu in je z oddajnikom na globini 3,5 metra deloval, dokler so bili valovi nižji od 16 cm. Čeprav je tehnologija še v povojih, pričakujejo, da jo bodo v prihodnosti dovolj izboljšali do robustnosti, ki bo omogočala delovanje na morjih. Z njo bi lahko podmornice komunicirale z letali, lažje bi iskali potopljene črne skrinjice, komunicirali s plovili za raziskovanje morja itd. TARF je obetaven, a ne pozabimo, da za zdaj ponuja le enosmerno komunikacijo.
Na MIT so pokazali, kako lahko s kombinacijo zvočnih in radijskih valov v zraku sprejemajo informacije oddajnika na dnu bazena. Fotografija: Tonolini, Francesco, MIT Media Lab
Podvodni Li-Fi
Če se radijski valovi v vodi slabo širijo, pa dovolj močna svetloba zmore približno 200 metrov, kar je lahko dovolj. Svetlobni brat Wi-Fija se imenuje Li-Fi in je čisto resna tehnologija, ki jo raziskujejo v številnih laboratorijih in podjetjih. O njej smo že pisali pred dvema letoma (Prihodnost komunikacije je svetla, Monitor 04/16), a do danes še ni prispela v dnevne sobe.
Intenzivno jo sicer raziskujejo v ameriški mornarici in na številnih univerzah. Osnovna ideja je preprosta. Namesto radijskih valov lahko uporabljamo vidno svetlobo, saj smo s svetlečimi diodami dobili zelo prilagodljive vire svetlobe. Tako imenovan UWOC (underwater wireless optical communication) v eno smer uporablja zelene diode (520 nm), v drugo pa modre (450 nm). Na univerzi KAUST v Savdski Arabiji so letos v praksi pokazali, kako na razdalji 4,5 metra v vodi z laserjem prenašajo video v realnem času. Tehnologijo so prvi začeli študirati na univerzi v Edinburgu, kjer so si izraz Li-Fi tudi izmislili, zdaj pa domuje na številnih univerzah, kjer program financira tudi ameriška mornarica.
Kaj bomo dobili podvodni internet?
V resnici ni presenetljivo, da se za podvodno komunikacijo uporabljajo zelo različne tehnologije. Tudi na kopnem imamo na voljo več možnosti – od radijskih valov, mobilnih omrežij in LTE, Wi-Fi, satelitskih telefonov, laserjev – odvisno od potreb. Morda se zdi vzpostavljanje sistema za hitro podvodno komunikacijo nepotrebno zapravljanje denarja ali vojaško igračkanje, a v resnici imamo pod gladino cel kup argumentov, zakaj bi to potrebovali.
Na podmornicah verjetno res še dolgo ne bo širokopasovnega interneta, a nadvse dobrodošla bi bila hitra brezžična komunikacija z minipodmornicami, globokomorskimi senzorji ali s črnimi skrinjicami. In kot z vsako tehnologijo bomo šele ob njenem širokem razmahu ugotovili, da je uporabna še marsikje. Ponekod bo reševala življenja, drugod nas bo le kratkočasila.