Российские и китайские исследователи разработали способ установления связи под водой с помощью компактных устройств. Создан опытный образец антенны длиной примерно 15 см из специализированного композитного материала, который способен генерировать волны очень низкой частоты и обеспечивать их распространение под водой на расстояние до 100 м. По мнению экспертов, эта разработка может привести к появлению портативных мобильных коммуникационных систем для подводных аппаратов, робототехники и аквалангистов.
Как волны очень низкой частоты проникают сквозь толщу водыУченые Политехнического института Новгородского государственного университета совместно с коллегами из ряда китайских НИИ создали миниатюрную антенну для подводной связи. При длине около 15 см она может передавать сигнал под водой на расстояние до 100 м, что ранее было недостижимо для столь компактных конструкций. Об изобретении «Известиям» сообщили в Минобрнауки РФ.
Исследователи отмечают, что разработка может стать прорывом в технологиях связи на морских глубинах. В частности, такие портативные антенны обещают применение для обмена информацией между аквалангистами, а также для управления роботами и автономными устройствами.
Фото: Journal of Materiomics— Инновация основана на композитной структуре. Она состоит из пьезоэлектрика и магнитострикционного материала. Первый из них при подаче на него переменного электрического напряжения сжимается и разжимается, создавая вибрации. Второй, приклеенный к первому, также деформируется. В результате меняются его магнитные свойства. Это создает переменное магнитное поле, которое в окружающем пространстве генерирует очень низкочастотное излучение, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института НовГУ Олег Соколов.
По его словам, привычные средства связи под водой почти не работают: радиоволны в морской воде быстро гаснут. Звуковая связь, которой пользуются, например, киты и дельфины, позволяет преодолевать это ограничение, но она чувствительна к помехам, подвержена многолучевому распространению (эхо) и имеет большую задержку. Одним из вариантов является излучение в диапазоне очень низких частот (ОНЧ). Такие электромагнитные волны проникают в воду на существенную глубину, но их длина достигает десятков километров, поэтому для их генерации требуются огромные антенны. Классический пример — передатчик The VLF Transmitter Cutler в США, который обеспечивает связь с подлодками по всему миру: комплекс занимает более 8 кв. км и включает 12 мачт, одна из которых выше Эйфелевой башни. Подобные системы непереносимы и чрезвычайно дороги.
Чтобы обойти это ограничение, создают антенны, где ОНЧ-излучение получают за счет вращающихся магнитов, добавил Олег Соколов. Однако в таких системах трудно контролировать частоту вращения, и они обеспечивают медленную передачу данных.
— Более перспективны антенны, которые используют тот же принцип, что и наша разработка. В большинстве композитов улучшение параметров одного компонента ведет к ухудшению свойств другого. Это противоречие устранили, добавив в состав классической пьезокерамики модифицирующие добавки. Они включают индий, ниобий, марганец и сурьму, — объяснил 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, рассказал он.
Чтобы продемонстрировать работоспособность комплекса, ученые собрали опытную мини-радиостанцию и передали по ней цифровые данные и аналоговый аудиосигнал. Оба типа сообщений были успешно приняты и расшифрованы.
По мнению Олега Соколова, дальность подводной связи в перспективе можно будет увеличить за счет новых материалов, а также путем увеличения размеров антенн и их объединения в массивы. Еще один путь — изменение геометрии передатчиков.
— Подводная техника интенсивно развивается во всем мире. Но почти единственный доступный способ связи между устройствами — это гидроакустика, передача сигнала звуковыми волнами. Однако этот вид связи энергетически затратен и зависит от множества факторов, которые сложно контролировать, — объяснил «Известиям» 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 в мире работают тысячи ученых. Но эта задача ограничена правилом — эффективность антенны связана с длиной волны. Поэтому сделать маленькое устройство для передачи данных на большие расстояния до сих пор не получалось, — прокомментировал профессор департамента радиоэлектроники и связи Уральского федерального университета Иван Малыгин.
По его мнению, если предположить развитие подводного туризма, гостиниц и ресторанов, то тогда разработка станет востребованной.
— Аналогичные разработки идут в Красноярском научном центре для организации связи в шахтах. Представленная работа — шаг вперед в развитии компактных средств подводной связи, потому что исследователям удалось создать новый материал, который позволил уменьшить габариты излучателя и увеличить уровень излучаемого магнитного поля, — поделилась старший преподаватель кафедры радиотехники Сибирского федерального университета Елена Стригова.
Тем не менее система функционирует в узком частотном диапазоне, а значит, не предназначена для передачи больших объемов данных. По ее мнению, такое решение может применяться в компактных системах для малых глубин — например, для отправки коротких сообщений и телеметрии. Кроме того, в исследовании не хватает сведений о работе в реальных условиях, поэтому трудно оценить эффективность в различных типах морских и пресных водоемов, особенно на больших глубинах. Ученые осознают эти ограничения и намечают пути усовершенствования разработки.
— Предложенный метод — лишь один 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 выше. Из-за этого дальность связи падает. В наших экспериментах при мощности потребления 20–30 Вт удавалось достичь дальности передачи данных всего около 7 м, — пояснил заведующий лабораторией № 31 «Гидроакустических систем связи и навигации» Института проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева ДВО РАН Александр Родионов.
Эксперт подчеркнул, что идея сочетания пьезокерамики и магнитострикционного материала представляет интерес, однако результаты нужно подтверждать морскими испытаниями.