Российские и китайские ученые нашли способ создания подводной связи с помощью миниатюрных устройств.
Разработан прототип антенны длиной около 15 см, изготовленной из специального композитного материала, которая может передавать волны очень низкой частоты на расстояние до 100 м. Это открывает возможности для создания портативных мобильных систем связи для подводных аппаратов, роботов и аквалангистов, считают эксперты.
Как волны очень низкой частоты проникают через толщу воды
Ученые Политехнического института Новгородского государственного университета совместно с коллегами из китайских научно-исследовательских организаций разработали миниатюрную антенну для подводной связи. При длине около 15 см она может передавать сигналы под водой на расстояние до 100 м, что ранее было невозможно для столь компактных устройств. Об этом изобретении сообщили в Минобрнауки РФ.
Как пояснили исследователи, данная разработка представляет собой прорыв в технологиях для применения на морских глубинах. В частности, портативные антенны подобного типа могут использоваться для связи между аквалангистами, управления роботами и автономными устройствами.
— Инновация основана на композитной структуре. Она включает пьезоэлектрик и магнитострикционный материал. Первый из них при подаче переменного электрического напряжения сжимается и разжимается, создавая вибрации. Второй материал, приклеенный к первому, также деформируется. Это изменяет его магнитные свойства. В результате формируется переменное магнитное поле, которое в окружающем пространстве генерирует очень низкочастотное излучение,— сообщил ведущий научный сотрудник кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института НовГУ Олег Соколов.
По его словам, традиционная связь под водой практически недоступна: радиоволны в морской воде быстро затухают. Звуковые волны, используемые, например, дельфинами и китами, решают эту проблему, однако этот метод чувствителен к помехам, подвержен многолучевому распространению (эхо) и отличается значительной задержкой сигнала. Одно из решений — излучение очень низкой частоты (ОНЧ). Такие электромагнитные волны способны проникать в воду на значительную глубину. Однако в этом диапазоне их длина составляет десятки километров, что требует гигантских антенн для генерации излучения. Классический пример — передатчик The VLF Transmitter Cutler в США, который обеспечивает связь с подводными лодками в любой точке мира. При этом комплекс занимает территорию более 8 кв. км и состоит из 12 мачт, главная из которых выше Эйфелевой башни. Такие системы не мобильны и весьма дорогие. Чтобы обойти это ограничение, разрабатываются антенны, где ОНЧ-излучение создается вращающимися магнитами, добавил Олег Соколов. Однако в таких системах трудно контролировать скорость вращения, и они медленно передают данные.
Как создать миниатюрные подводные антенны
— Более перспективными являются антенны, которые используют тот же принцип, что и наша разработка. В большинстве композитов улучшение параметров одного компонента приводит к ухудшению свойств другого. Это противоречие было устранено добавлением в состав классической пьезокерамики модифицирующих добавок, таких как индий, ниобий, марганец и сурьма,— пояснил Олег Соколов.
При испытании образца длиной около 15 см специалисты зафиксировали создаваемое им магнитное поле на расстоянии нескольких метров. При этом сигнал передачи данных в водной среде распространился на 100 м, добавил он.
Чтобы продемонстрировать работоспособность системы, ученые собрали опытную мини-радиостанцию и передали по ней цифровые данные и аналоговый сигнал (аудиозапись). Оба типа сообщений были успешно приняты и распознаны.
По мнению Олега Соколова, в будущем дальность связи под водой можно будет увеличить за счет новых материалов, а также увеличивая размеры антенн и объединяя их в массивы. Еще один путь — создание специальной геометрии передатчиков.
— Подводная техника активно развивается во всем мире. Но почти единственный доступный способ связи между устройствами — это гидроакустика, передача сигнала звуковыми волнами. Однако этот вид связи требует больших затрат энергии и зависит от множества факторов, которые трудно контролировать,— объяснил научный сотрудник лаборатории акустики океана Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН Олег Кочетов.
Компактные магнитоэлектрические модемы могут открыть новые возможности для подводных автоматов и роботов, отметил эксперт.
— Над уменьшением размеров и увеличением мощности подводных антенн работают тысячи ученых по всему миру. Но эта задача ограничена правилом — эффективность антенны связана с длиной волны. Поэтому до сих пор не удавалось создать маленькое устройство для передачи данных на большие расстояния,— прокомментировал профессор департамента радиоэлектроники и связи Уральского федерального университета Иван Малыгин.
По его словам, если предположить развитие подводного туризма, гостиниц и ресторанов, то разработка имеет смысл и может быть востребована.
— Подобные разработки ведутся в Красноярском научном центре для организации связи в шахтах. Представленная работа является шагом вперед в развитии компактных средств подводной связи, так как исследователям удалось создать новый материал, который позволил уменьшить размеры излучателя и повысить уровень излучаемого магнитного поля,— поделилась старший преподаватель кафедры радиотехники Сибирского федерального университета Елена Стригова.
Тем не менее, система работает в узкой полосе частот, а значит, не сможет передавать большой объем данных. По ее словам, такое решение может быть применимо для создания компактных систем для малых глубин, например, для передачи коротких сообщений и телеметрии. Кроме того, в исследовании не хватает данных о работе системы в реальных условиях, поэтому сложно оценить ее эффективность в различных типах морских и пресных водоемов, особенно на больших глубинах. Тем не менее, ученые осознают эти ограничения и наметили пути дальнейшего совершенствования разработки.
— Предложенный метод является лишь одним из способов генерации магнитного поля под водой. При этом главная проблема — высокая проводимость соленой воды. Если в пресной среде она составляет порядка 0.01 См/м (сименс на метр — единица измерения электропроводности), то в соленой может достигать 4 См/м и более. Из-за этого дальность связи снижается. В наших экспериментах при потребляемой мощности 20−30 Вт нам удавалось достичь дальности передачи данных всего около 7 м,— объяснил заведующий лабораторией № 31 «Гидроакустических систем связи и навигации» Института проблем морских технологий им. академика М. Д. Агеева ДВО РАН Александр Родионов.
Эксперт отметил, что идея сочетания пьезокерамики и магнитострикционного материала интересна, однако разработки необходимо подтверждать реальными морскими испытаниями.
Фото: hi-tech.mail.ru