Una nuova strategia per inviare onde acustiche attraverso l'acqua potrebbe potenzialmente aprire il mondo delle attività di comunicazione ad alta velocità sott'acqua, comprese le immersioni subacquee, monitoraggio degli oceani a distanza, ed esplorazioni in acque profonde.

Sfruttando la rotazione dinamica generata dal viaggio delle onde acustiche, i momenti angolari orbitali, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia sono stati in grado di impacchettare più canali su una singola frequenza, aumentare efficacemente la quantità di informazioni che possono essere trasmesse.

Lo hanno dimostrato codificando in forma binaria le lettere che compongono la parola "Berkeley, " e trasmettendo le informazioni lungo un segnale acustico che normalmente porterebbe meno dati. Descrivono i loro risultati in uno studio pubblicato questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"È paragonabile a passare da una strada laterale a una corsia a un'autostrada a più corsie, ", ha affermato l'autore corrispondente dello studio Xiang Zhang, scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore alla UC Berkeley. "Questo lavoro ha un enorme potenziale nelle comunicazioni acustiche ad alta velocità".

Mentre l'attività umana sotto la superficie del mare aumenta, la capacità di comunicare sott'acqua non ha tenuto il passo, limitato in gran parte dalla fisica. Le microonde vengono rapidamente assorbite in acqua, quindi le trasmissioni non possono andare lontano. La comunicazione ottica non è migliore poiché la luce viene dispersa dalle microparticelle subacquee quando si viaggia su lunghe distanze.

L'acustica a bassa frequenza è l'opzione che rimane per la comunicazione subacquea a lungo raggio. Le richieste di sonar abbondano, compresa la navigazione, mappatura del fondale marino, pesca, perizie petrolifere offshore, e rilevamento della nave.

Però, il compromesso con la comunicazione acustica, in particolare con distanze di 200 metri o più, è che la larghezza di banda disponibile è limitata a un intervallo di frequenza entro 20 kilohertz. Frequenza così bassa che limita la velocità di trasmissione dei dati a decine di kilobit al secondo, una velocità che si rifà ai tempi delle connessioni Internet dialup e dei modem a 56 kilobit al secondo, hanno detto i ricercatori.

"Il modo in cui comunichiamo sott'acqua è ancora piuttosto primitivo, " ha detto Zhang. "C'è un enorme appetito per una soluzione migliore a questo."

I ricercatori hanno adottato l'idea del multiplexing, o combinando diversi canali insieme su un segnale condiviso, o multiplexing, è una tecnica ampiamente utilizzata nelle telecomunicazioni e nelle reti di computer. Ma il multiplexing del momento angolare orbitale è un approccio che non era stato applicato all'acustica fino a questo studio, hanno detto i ricercatori.

Mentre il suono si propaga, il fronte d'onda acustico forma un modello elicoidale, o raggio di vortice. Il momento angolare orbitale di questa onda fornisce un grado spaziale di libertà e canali indipendenti su cui i ricercatori potrebbero codificare i dati.

"La rotazione avviene a velocità diverse per canali con diverso momento angolare orbitale, anche mentre la frequenza dell'onda stessa rimane la stessa, rendendo questi canali indipendenti l'uno dall'altro, ", ha affermato l'autore principale dello studio Chengzhi Shi, uno studente laureato nel laboratorio di Zhang. "Ecco perché potremmo codificare diversi bit di dati nello stesso raggio acustico o impulso. Abbiamo quindi utilizzato algoritmi per decodificare le informazioni dai diversi canali perché sono indipendenti l'uno dall'altro".

L'apparato sperimentale, situato al Berkeley Lab, consisteva in un circuito di controllo digitale con un array di 64 trasduttori, insieme generando fronti d'onda elicoidali per formare diversi canali. I segnali sono stati inviati simultaneamente tramite canali indipendenti del momento angolare orbitale. Hanno usato una frequenza di 16 kilohertz, che rientra nell'intervallo attualmente utilizzato nel sonar. Un array di ricevitori con 32 sensori ha misurato le onde acustiche, e algoritmi sono stati utilizzati per decodificare i diversi modelli.

"Abbiamo modulato l'ampiezza e la fase di ciascun trasduttore per formare modelli diversi e generare canali diversi sul momento angolare orbitale, " ha detto Shi. "Per il nostro esperimento abbiamo usato otto canali, quindi invece di inviare solo 1 bit di dati, possiamo inviare 8 bit contemporaneamente. In teoria, però, il numero di canali forniti dal momento angolare orbitale può essere molto più grande."

I ricercatori hanno notato che mentre l'esperimento è stato fatto in aria, la fisica delle onde acustiche è molto simile per l'acqua e l'aria a questa gamma di frequenze.

L'espansione della capacità delle comunicazioni sottomarine potrebbe aprire nuove strade per l'esplorazione, hanno detto i ricercatori. Questa capacità aggiuntiva potrebbe eventualmente fare la differenza tra l'invio di un messaggio di solo testo e la trasmissione di un film ad alta definizione da sotto la superficie dell'oceano. Le sonde remote negli oceani potrebbero inviare dati senza la necessità di emergere.

"Sappiamo molto di più sullo spazio e sul nostro universo che sui nostri oceani, " disse Shi. "Il motivo per cui sappiamo così poco è perché non abbiamo le sonde per studiare facilmente le profondità marine. Questo lavoro potrebbe accelerare notevolmente la nostra ricerca ed esplorazione degli oceani".