¿Podrían los cables submarinos salvarte de un tsunami?

Los cables submarinos podrían ayudar a detectar desastres naturales (crédito: Vismar UK/Shutterstock.com)

Los sensores de fibra son sensibles a la temperatura, la tensión y las perturbaciones mecánicas, lo que permite técnicas como la interferometría de fase, la interferometría de polarización y la dispersión de Rayleigh, Brillouin y Raman. Además de conectar a las personas, las fibras ópticas que existen en el cielo, bajo tierra y en el fondo del océano en forma de redes ópticas podrían ofrecer oportunidades únicas para realizar mediciones en vastas áreas donde la detección convencional a menudo es difícil o imposible.

Gracias en gran medida a la industria de las telecomunicaciones, el despliegue de fibras ópticas está muy extendido, pero en los últimos años, la capacidad de los cables de fibra óptica para detectar factores ambientales se ha vuelto más evidente. Actualmente existe poca superposición entre estas redes. Recientemente, se han hecho esfuerzos para fusionar su infraestructura para traer beneficios de costos y cobertura a ambos sectores.

“Paralelamente a las comunicaciones ópticas existe todo un campo de detección por fibra. La razón es muy simple: la misma fibra que amamos para las telecomunicaciones es en realidad un gran sensor”, dijo Mikael Mazur de Nokia Bell Labs, durante una presentación en la OFC de este año en San Diego en marzo.

Intentar fusionar las redes de telecomunicaciones y de detección conlleva ventajas para ambas. La industria de las telecomunicaciones podría aumentar la confiabilidad de sus redes y evitar futuras interrupciones. Y las industrias podrían ampliar su cobertura o permitir la detección en áreas donde aún no es posible, como donde el costo o el despliegue de cables es prohibitivamente alto.

"Me gustaría pensar que esta podría ser una gran oportunidad para permitir que los sistemas de comunicación de fibra óptica asuman un papel mucho más importante en nuestra sociedad que el que tienen hoy, no sólo transportando los datos, sino también brindándonos una información mundial en tiempo real. hoja de ruta de lo que sucederá”, dijo Mazur.

En el ámbito submarino, se han realizado muchas investigaciones sobre el uso de redes de telecomunicaciones con fines de detección ambiental. En 2022, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Física (NPL) demostró una nueva técnica para transformar cables submarinos de energía y telecomunicaciones en conjuntos de sensores ambientales.

Trabajos anteriores de NPL en 2018 demostraron que los cables submarinos podrían reutilizarse como sensores para la detección de terremotos submarinos mediante el uso de técnicas interferométricas ultraestables. Sin embargo, un cable sólo podía actuar como sensor único y las mediciones se limitaban únicamente a los cambios integrados a lo largo de toda la longitud del cable. La nueva investigación demuestra cómo algunos cables se pueden convertir en una serie de sensores en lugar de un solo sensor.

El equipo dirigido por NPL, que incluye investigadores de la Universidad de Edimburgo, el Servicio Geológico Británico, el Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) y Google, probó la técnica en un enlace submarino intercontinental de fibra óptica de 5.860 kilómetros entre el Reino Unido y Canadá. Demostraron la detección de terremotos y señales oceánicas, como olas y corrientes, en tramos individuales entre repetidores repartidos por toda la conexión transatlántica. La fibra óptica en cada tramo actuaba como sensor, con hasta 12 sensores implementados a lo largo del cable. Las futuras actualizaciones aumentarán este número a 129. Lo más importante es que los datos de estos sensores se pueden registrar de forma continua y en tiempo real. El conjunto de sensores basados ​​en cables puede identificar el área epicentral de los terremotos de la misma manera que los sismómetros terrestres.

Se cree que al aplicar este nuevo método a una red existente de cables submarinos, áreas del océano enormes y actualmente no monitoreadas podrían equiparse con miles de sensores ambientales permanentes en tiempo real. Podría transformar eficazmente la infraestructura de telecomunicaciones submarinas en una gigantesca serie de sensores geofísicos. La integración de este enfoque con las redes actuales basadas en sismómetros podría brindar el potencial de expandir sustancialmente la infraestructura global de monitoreo de terremotos desde la tierra hasta el fondo marino, donde actualmente solo hay instalados un puñado de sismómetros permanentes.

Google también se asoció con el Instituto de Tecnología de California (Caltech) para desarrollar un método que permita utilizar los cables submarinos existentes para detectar terremotos. El equipo de Caltech ideó una forma de analizar la luz que viaja a través de cables submarinos existentes y en funcionamiento para detectar terremotos y olas del océano sin necesidad de ningún equipo adicional.

Los investigadores se centraron en el Cable Curie, que se extiende más de 10.000 kilómetros a lo largo del borde oriental del Océano Pacífico desde Los Ángeles hasta Valparaíso, Chile. En tierra, muchos factores, como las fluctuaciones de temperatura y los rayos, pueden cambiar la polarización de la luz que viaja a través de los cables. Debido a que la temperatura en el océano permanece casi constante y hay menos perturbaciones, el equipo descubrió que el cambio de polarización de un extremo al otro del Cable Curie permanece bastante estable con el tiempo. Sin embargo, durante los terremotos y cuando las tormentas producen grandes olas en el océano, esto cambia repentina y dramáticamente, lo que permite a los investigadores identificar fácilmente tales eventos en los datos.

Utilizando la nueva técnica, toda la longitud de un cable submarino actúa como un único sensor en una ubicación difícil de monitorear. La polarización se puede medir hasta 20 veces por segundo, por lo que si se produce un terremoto cerca de un área en particular, se podría enviar una advertencia a las áreas potencialmente afectadas en cuestión de segundos.

Durante los nueve meses de pruebas reportadas en el estudio (entre diciembre de 2019 y septiembre de 2020), los investigadores detectaron alrededor de 20 terremotos de moderados a grandes a lo largo del Cable Curie, incluido el terremoto de magnitud 7,7 que tuvo lugar frente a Jamaica el 28 de enero. , 2020. Aunque no se detectaron tsunamis durante el estudio, los investigadores pudieron detectar cambios en la polarización producidos por el oleaje oceánico que se originó en el Océano Austral. Creen que los cambios en la polarización observados durante esos eventos fueron causados ​​por cambios de presión a lo largo del fondo marino cuando poderosas olas pasaron por el cable. "Esto significa que podemos detectar olas del océano, por lo que es posible que algún día seamos capaces de detectar olas de tsunami", explicó el profesor asistente de geofísica Zhongwen Zhan.

Más recientemente, Zhan y el equipo llevaron a cabo un estudio adicional, esta vez utilizando solo una sección de cable de 100 km para tratar de comprender la mecánica detrás de un terremoto particular de 2021, lo que sugiere que el acceso a más cables permitiría una mejor comprensión de la física de los terremotos y, en última instancia, mejores terremotos. sistemas de alerta temprana.

Zhan dice: "Si podemos obtener una cobertura más amplia para medir la actividad sísmica, podemos revolucionar la forma en que estudiamos los terremotos y proporcionar alertas más anticipadas", dice Zhan. "Aunque no podemos predecir los terremotos, la detección acústica distribuida conducirá a una mejor comprensión de los detalles subyacentes a cómo se rompe la Tierra".

En el nuevo estudio, el equipo examinó las firmas de luz que viajan a través de un tramo de cable de fibra óptica ubicado en el este de Sierra Nevada durante el terremoto de magnitud 6 de Antelope Valley de 2021. La sección de cable equivalía a 10.000 sismómetros y se pudo descubrir que la M6 estaba formada por una secuencia de cuatro rupturas más pequeñas. Estos llamados "subeventos", como mini terremotos, no podrían ser detectados por una red sísmica convencional.

En colaboración con el laboratorio de Nadia Lapusta, profesor de Ingeniería Mecánica y Geofísica Lawrence A. Hanson, Jr., el equipo pudo crear un modelo preciso del terremoto M6 basado en la actividad sísmica medida. El modelo mostró el momento de los cuatro subeventos y señaló sus ubicaciones exactas en la región de la falla.

"El uso de cables de fibra óptica como una serie de sismómetros revela aspectos de la física de los terremotos que durante mucho tiempo se han planteado como hipótesis pero que son difíciles de visualizar", dice Zhan. "Como analogía, imagine el telescopio de su patio trasero. Puede ver Júpiter, pero probablemente no pueda ver sus lunas ni ningún detalle. Con un telescopio realmente potente, puede ver los detalles finos del planeta y las superficies lunares. Nuestra tecnología Es como un poderoso telescopio para detectar terremotos".

Trabajos como el realizado por NPL y Caltech con cables submarinos también han allanado el camino para que otras redes de fibra óptica se utilicen para predecir catástrofes naturales. Volviendo a Mazur y su equipo en Nokia Bell Labs, su estudio más reciente involucra el uso de transceptores dentro de redes de comunicaciones ópticas. “La razón para hacer esto, y por qué lo encontramos interesante, es muy simple: si miramos el receptor coherente con procesamiento digital de alta velocidad, es básicamente un sistema detector de campo completo. Así que ya tenemos acceso a un interferómetro de polarización y de fase... una técnica típica utilizada en la detección de fibra”, explicó.

El equipo ha demostrado, en una prueba de campo, que se puede utilizar un prototipo de transceptor coherente en tiempo real para la detección continua en una red aérea en vivo de 524 km de fibra enrollada alrededor de cables de alta tensión suspendidos de postes exteriores.

La prueba de campo, utilizando un cable aéreo entre las ciudades suecas de Gotemburgo y Karlstad, demostró que los transceptores coherentes podrían usarse potencialmente para realizar sensores ambientales y de red utilizando fibras aéreas existentes. Los investigadores monitorearon continuamente una longitud de 524 kilómetros de fibra aérea en Suecia durante 70 horas utilizando mediciones del tiempo de vuelo. Correlacionaron las mediciones de detección con las temperaturas adquiridas en las estaciones a lo largo del enlace de la red.

El análisis reveló fuertes oscilaciones impulsadas por cambios de polarización superiores a 50 Hz, probablemente debido al efecto Faraday inducido por la fibra hilada. Demostraron la detección de polarización de diversas condiciones del viento filtrando la porción de baja frecuencia de estos cambios de polarización. Los desafíos clave con el uso de la infraestructura existente es que todo lo integrado en la tarjeta de línea del sensor tiene que ser compatible con las arquitecturas ASIC, lo cual es muy diferente de la implementación fuera de línea de Python/Matlab que es posible dentro del campo de la detección de fibra.

El prototipo de transceptor actual es un sistema reducido, dice Mazur, lo que permitió al equipo comprender los algoritmos que se pueden utilizar para realizar sensores de fibra que sean compatibles y compatibles con las infraestructuras ASIC. El resultado es que el transceptor actual no fue construido para tener el mayor rendimiento ni la mayor sensibilidad. Las relaciones señal-ruido son mucho más bajas, y la cantidad efectiva de bits a los que tienen acceso "haría que todos en el campo de la detección de fibra corrieran muy, muy lejos", dijo Mazur. "No estamos tratando de superar a los sensores dedicados, estamos tratando de crear una técnica complementaria que funcione bien con las telecomunicaciones", añadió. El sistema coherente basado en FPGA tiene una velocidad de reloj de procesamiento de señalización digital (DSP) de 125 MHz, el mismo orden de magnitud que un sistema ASIC. Tiene ocho carriles paralelos y está completamente basado en piloto, donde todos los bloques DSP se actualizan en cada ciclo de reloj.

Como se demostró anteriormente, los ejemplos de detección de fibra utilizando redes existentes se han centrado en cables submarinos, que brindan condiciones más favorables que el sitio aéreo sobre la línea de árboles utilizado en esta prueba en particular. Mazur señaló: “Es un entorno muy expuesto, por eso queríamos analizar este vínculo. Los sistemas submarinos son excelentes para la detección. Es un entorno perfecto porque es muy estable. Probablemente sea el polo opuesto”.

Sin embargo, Mazur señaló que debido a que los rangos de frecuencia para la detección ambiental suelen ser muy diferentes de los rangos de frecuencia inducidos en los sistemas de telecomunicaciones, siempre que los datos puedan interpretarse apropiadamente, el uso de transceptores para la detección ambiental es muy prometedor.

"Apenas estamos arañando la superficie de aplicaciones potenciales y continuaremos realizando pruebas de campo en varias redes en diferentes entornos", afirmó Mazur. “Nuestro objetivo es comprender mejor cómo se puede utilizar este sensor en futuras ciudades inteligentes para mejorar la resiliencia tanto de los sistemas de comunicación como de la infraestructura, al tiempo que obtenemos una mejor comprensión del entorno que nos rodea. También estamos analizando activamente algoritmos para análisis en tiempo real y toma de decisiones autónoma basada en datos de detección de transceptores, permitiendo aplicaciones de alerta temprana”.

La fusión de redes de fibra óptica no sólo podría mejorar la confiabilidad y la cobertura de la industria de las telecomunicaciones, sino que también podría ayudar a comprender mejor los fenómenos que ocurren en vastas áreas de la superficie de la Tierra. En el futuro, es probable que la red de telecomunicaciones ópticas desempeñe un papel aún mayor en nuestra sociedad del que desempeña hoy.