Sapere Scienza

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Superate le barriere della comunicazione wireless tra aerei e sommergibili

27 Settembre 2018

I ricercatori del MIT, Massachusetts Institute of Technology, stanno cercando di percorrere un passo in avanti verso la risoluzione di una delle sfide tecnologiche ancora non superate: la trasmissione di dati wireless tra dispositivi sottomarini e aerei.

 

Incomunicabilità tra aria e acqua

 

Attualmente i sensori sottomarini non possono condividere dati con quelli che si trovano sulla terraferma poiché utilizzano differenti segnali, che funzionano unicamente nei rispettivi mezzi: i segnali radio che viaggiano attraverso l'aria scompaiono rapidamente in acqua, mentre i segnali acustici (o sonar) inviati da strumenti subacquei sono riflessi perlopiù dalla superficie, senza riuscire a infrangerla. Alla luce di tutto questo, è facile capire come vi siano problemi e inefficienze in settori quali l'esplorazione oceanica o la comunicazione tra aerei e sistemi sottomarini.
Ma, in un articolo pubblicato per la conferenza SIGCOMM, gli scienziati del MIT Media Lab hanno descritto il progetto di un nuovo strumento in grado di affrontare questo problema con un approccio nuovo.

 

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TARF e la decodifica delle vibrazioni

 

I ricercatori hanno ideato una nuova soluzione: un trasmettitore sottomarino invia un segnale sonar verso la superficie dell'acqua, formando così delle piccole vibrazioni che corrispondono agli stati 1 e 0. Sopra la superficie c'è un ricevitore estremamente sensibile che riesce a leggere queste minime alterazioni decodificando il segnale sonar. Questa tecnologia prende il nome di TARF- Translational Acoustic-RF Communication.

 

 

Entrando nello specifico del funzionamento del sistema, un trasmettitore acustico sottomarino invia un segnale sonar utilizzando un altoparlante standard. Il segnale viaggia come onda di pressione di differenti frequenze corrispondenti, a loro volta, a diversi bit di informazione. Per esempio, quando un trasmettitore vuole inviare uno 0, può trasmettere un'onda che viaggia a 100 hertz; per l'1 ne trasmetterà una di 200 hertz. Una volta che il segnale colpisce la superficie, causa la formazione di piccole onde nell'acqua, alte solo pochi micrometri, le quali corrispondono alle suddette frequenze. Posizionato sopra il trasmettitore, in aria, è presente un nuovo tipo di radar ad alta frequenza che elabora i segnali di trasmissione wireless compresi tra i 30 e i 300 gigahertz. Il radar appare come una coppia di coni che trasmette un segnale radio il quale è riflesso dalla superficie vibrante e rimbalza indietro verso il radar stesso. A causa della collisione tra segnale e superficie vibrante, il primo torna indietro con un angolo leggermente modulato che corrisponde esattamente al bit di informazione inviato dal sonar.
E per inviare un tasso di dati più alto? Il sistema trasmette frequenze multiple contemporanee, costruendo uno schema di modulazione usato nella comunicazione wireless chiamato Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) e questo permette agli studiosi di inviare centinaia di bits in una sola volta.

 

Percepire un sussurro

 

Una delle difficoltà che TARF potrebbe incontrare è catturare onde millimetriche circondate da quelle naturali, più grandi. Le onde oceaniche più piccole - onde capillari - in giornate serene sono alte circa 2 centimetri, 100.000 volte più larghe delle vibrazioni di cui abbiamo parlato. Un mare più agitato può creare onde un milione di volte più ampie. "Ciò interferisce con le piccole vibrazioni acustiche sulla superficie dell'acqua", ha spiegato Fadel Adib, professore del MIT Media Lab a capo del progetto, "è come se qualcuno stesse urlando e tu cercassi di udire un'altra persona che sta sussurrando nello stesso momento". Per risolvere questo problema è stato sviluppato un sofisticato algoritmo per l'elaborazione dei segnali: le onde naturali si presentano a una frequenza di circa 1 o 2 hertz, significa che una o due onde si muovono nell'area del segnale ogni secondo. Le vibrazioni sonar, che vanno da 100 a 200 hertz, tuttavia, sono un centinaio di volte più veloci. Proprio per questo differenziale di frequenza, l'algoritmo riesce a isolare le onde più veloci, ignorando le lente.

 

Le prove in vasca

 

I ricercatori hanno testato TARF attraverso 500 prove svolte in una vasca d'acqua e in due diverse piscine del campus del MIT. Nella vasca il radar è stato posizionato in intervalli di distanza compresi tra 20 e 40 centimetri al di sopra della superficie dell'acqua mentre il trasmettitore sonar è stato immerso tra i 5 e i 70 centimetri. Nelle piscine, il radar era a 30 centimetri e il trasmettitore a circa 3, 5 metri. In questi esperimenti c'erano anche dei nuotatori che creavano onde di circa 16 centimetri.
In entrambi i casi (vasca e piscina) TARF è stato in grado di decodificare accuratamente diversi dati a centinaia di bit al secondo, un risultato simile ai tassi standard di dati nelle comunicazioni sottomarine. Purtroppo, con onde di disturbo più alte di 16 centimetri, la decodifica non è stata più possibile. Il prossimo passo della ricerca sarà quindi il perfezionamento del sistema per lavorare in acque agitate.

 

Possibili applicazioni

 

TARF è ancora nelle prime fasi di progettazione e sperimentazione ma rappresenta una tappa fondamentale verso nuove possibilità nella comunicazione acqua-aria. Il suo utilizzo permetterebbe ai sottomarini militari di non tornare in superficie per comunicare con gli aeroplani, svelando la propria posizione; o ancora, i droni subacquei adoperati per monitorare la vita sottomarina non avrebbero necessità di riemergere dalle profondità per inviare dati ai ricercatori.
Un'altra applicazione promettente è il supporto per il ritrovamento di aerei dispersi sui fondali marini. "I segnali acustici potrebbero essere implementati in una scatola nera", ha affermato Adib, "trasmettendo un segnale una volta ogni tanto, saremmo in grado di usare il sistema per individuarlo".

 

Il dispositivo più usato per comunicare ai giorni nostri è il telefono cellulare. Per conoscere la sua storia ed evoluzione, acquistate e leggete il libro di Jon Agar "Sempre in contatto - Storia sociale del telefono cellulare" (edizioni Dedalo).

copertina   novembre-dicembre 2018

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