martes, 14 de junio de 2011

Comunicación con submarinos: la Tierra como antena


Las ondas electromagnéticas tienen la desagradable propiedad de atenuarse exponencialmente al pasar por un medio conductor, cómo por ejemplo el agua salada del océano. A frecuencias de radio habituales, la atenuación es casi completa bajo la superficie. Esto las hace muy inadecuadas para comunicarse con un submarino sin que éste tenga que subir a la superficie.

Resolver adecuadamente el problema de la comunicación con los submarinos tiene, como bien os imaginaréis, gran importancia estratégica. Se intentaron diferentes soluciones. Aparte de las investigaciones en comunicación telepática, sin ninguna base científica, quizás una de las más fantasiosas fue plantear el uso de neutrinos. Los neutrinos son partículas estables subatómicas de masa muy pequeña y sin carga eléctrica. Esas tres características hace que puedan viajar sin atenuación a través de la materia. Se calculó que usando el Fermilab, se podrían trasmitir 15 bits de información en cada ciclo de 8 segundos del acelerador.

Una idea que sí que se llegó a aplicar es el uso de ondas sonoras. El sonido se propaga con mayor velocidad y menor atenuación a través del agua que en el aire. Si un submarino está en las proximidades de un altavoz y un hidrófono (como el de la imagen de la derecha), entonces podría comunicarse a través de ellos. Se sabe, por ejemplo, que el gobierno de los EEUU instaló una decena de estas estaciones en el Atlántico Norte, y actualmente sigue investigando esta posibilidad con programas como el Deep Siren Tactical Paging (DSTP).

Más eficiente es el uso de ondas de muy baja frecuencia (VLF, decenas de kilohertzios), que permite la comunicación con submarinos que estén a menos de 20m de la superficie. La OTAN tiene una red de decenas de emisoras VLF en todo el mundo. Rusia ha construído seis, dos de ellas en los países vecinos Bielorrusia y Kyrgyztan.

Desafortunadamente, la comunicación por ondas sonoras o electromagnéticas VLF no es posible con submarinos que estén lejos de la superficie. Para llegar a grandes profundidades, hay que hacer uso de ondas electromagnéticas de extremada baja frecuencia (SLF/ELF). A frecuencias menores de 100 Hz, un submarino puede detectar una emisión en SLF/ELF incluso cuando está sumergido a grandes profundidades (varios centenares de metros).

Sin embargo, el uso de SLF/ELF plantea un importante problema técnico. Para emitir con una eficiencia aceptable, se requieren antenas de dimensiones similares a la longitud de onda de la radiación emitida. Así, por ejemplo, mientras la telefonía móvil usa longitudes de onda de sólo una decena de centímetros, y la radio AM de centenares de metros, SLF/ELF usa longitudes de onda de miles de kilómetros.

Es imposible, por el momento, construir una antena emisora de ese tamaño. La solución ideada por el científico griego Nicholas Christofilos no podía ser más elegante: usar parte de la Tierra como antena.

LA TIERRA COMO ANTENA

Esta fue la solución que adoptaron finalmente las dos superpotencias de forma independiente. Rusia construyó ZEVS, su emisora de 82Hz, en la península de Kola, mientras que EEUU emitía a 76Hz desde el estado de Michigan con su WMT/MTF. Reino Unido estudió construir una estación similar en Glengarry, Escocia, algo que fue abandonado, igual que un faraónico proyecto de EEUU (Sanguine) que involucraba una gigantesca estructura con 10.000 Km de líneas de cable.


ZEVS está formado por dos largos cables de 60 Km de longitud cada uno, enterrados una zona con un terreno de una extraordinariamente pequeña conductividad eléctrica. WMT/MTF tiene 5 de estas estructuras, que en este caso no están enterradas. Los extremos de cada cable se hunden en la tierra hasta una profundidad de cientos de metros.

Cuando el generador de onda se activa, la corriente de 200-300A que genera cierra el circuito a gran profundidad, en capas más conductoras, formando una enorme antena de tipo dipolo magnético. En el ZEVS esto ocurre a unos 10Km de profundidad. Aun así, la antena es demasiado pequeña como para emitir eficientemente: se requiere toda una central eléctrica para poder alimentar la antena, y la potencia final emitida es apenas de un Watio.

A pesar de ello, la señal resultante se puede detectar en cualquier lugar del globo, ya que a esas frecuencias tan bajas, la ionosfera y la superficie terrestre se comportan efectivamente cómo una guía de ondas, que trasmite la señal por todo el mundo sin que escape al espacio.

La baja frecuencia y débil señal emitida por estas antenas hace que no se pueda enviar información a mucha velocidad a través de ellas. Velocidades típicas serían del orden de los bits por segundo y servirían para trasmitir órdenes simples (e.g. comenzar holocausto nuclear) o pedir al submarino que emerja, de modo que se pueda establecer contacto usando otros sistemas más rápidos.

La Guerra Fría ha terminado y estas gigantescas estructuras no son tan necesarias. El gran coste de mantenerlas y operarlas durante 24h, y la alarma que suscitan entre la población (aunque nunca se pudo demostrar que afectasen a la salud), están provocando su cierre. EEUU ha decomisionado ya su sistema SLF/ELF, y ya sólo puede comunicarse con sus submarinos cuando están cerca de la superficie. Desde 1995 el sistema ruso ZEVS no es de exclusivo uso militar, y se usa también para la investigación geológica.

La imagen del hidrófono ha sido publicada bajo licencia CC por Hannes Grobe. El resto de las imágenes son de dominio público.

Fuentes:

ELF Communications Program (FAS)
Popular mechanics, Septiembre de 1978
ELF/VLFILF Radio Propagation and Systems Aspects, AGARD
ZEVS, The Russian 82Hz ELF transmitter
"The world largest radio station" Carlos A. Altgelt


Esta entrada participa en la XX Edición del Carnaval de la Física, que este mes es acogido por este blog, Resistencia Numantina.

Actualización: esta entrada es una de las dos votadas como ganadoras a mejor entrada en la XX Edición del Carnaval de la Física. La otra entrada ganadora es "Fenómenos mutuos entre Haumea y su satélite Namaka" del blog Astrofísica y Física.

4 comentarios:

BLAS M. BENITO dijo...

Un artículo sensacional, muchas gracias!

Francisco J H H dijo...

:D Gracias a tí por leer.

Anónimo dijo...

La verdad que muy interesante...te felicito...Karlos desde Argentina...
Saludos

Francisco Catalan dijo...

Amigo bastante interesante!!! SAludos desde guatemala!!