فناوری ارتباط با زیردریایی‌های هسته‌ای در اعماق اقیانوس

آب شور دریا امواج رادیویی معمولی را به‌شدت تضعیف می‌کند؛ به همین دلیل، برای ارسال پیام به زیردریایی‌های در حال گشت‌زنی در اعماق اقیانوس، از امواج فوق‌العاده کم‌فرکانس یا ELF استفاده می‌شود؛ فناوری‌ای که به آنتن‌های بسیار گسترده و توان الکتریکی بالا نیاز دارد، اما تنها امکان انتقال پیام‌های بسیار کوتاه را فراهم می‌کند.

اینترنت ماهواره‌ای، شبکه‌های تلفن همراه و سامانه‌های موقعیت‌یاب ماهواره‌ای در سطح زمین کاربردهای گسترده‌ای دارند؛ اما وقتی یک زیردریایی نظامی به عمق اقیانوس می‌رود، برقراری ارتباط با آن به مسئله‌ای پیچیده تبدیل می‌شود. دلیل اصلی این محدودیت، ویژگی‌های الکتریکی آب شور و نحوه انتشار امواج الکترومغناطیسی در محیط‌های رساناست.

برای حل این مشکل، برخی کشورها از سامانه‌های ارتباطی مبتنی بر امواج فوق‌العاده کم‌فرکانس (ELF) استفاده کرده‌اند؛ فناوری‌ای که با فرکانس‌هایی در محدوده چند ده هرتز کار می‌کند و امکان ارسال پیام‌های محدود به زیردریایی‌های مستقر در زیر آب را فراهم می‌سازد.

چرا اینترنت ماهواره‌ای در زیر آب کار نمی‌کند؟

آب دریا به دلیل وجود یون‌های محلول، رسانای الکتریکی است. هنگامی که امواج الکترومغناطیسی وارد چنین محیطی می‌شوند، انرژی آن‌ها به‌تدریج تضعیف می‌شود. این پدیده که به اثر پوستی یا «اسکین افکت» (Skin Effect) مربوط است، باعث می‌شود امواج رادیویی با فرکانس بالا نتوانند مسافت زیادی را در آب شور طی کنند.

برای مثال، امواج مورد استفاده در وای‌فای، شبکه‌های تلفن همراه و ارتباطات ماهواره‌ای در مقایسه با امواج بسیار کم‌فرکانس، نفوذ بسیار محدودی در آب دریا دارند.

به همین دلیل، زیردریایی‌ای که در عمق قابل‌توجهی حرکت می‌کند، نمی‌تواند مانند یک تلفن همراه یا گیرنده اینترنت ماهواره‌ای معمولی، ارتباط رادیویی مستقیمی با ماهواره برقرار کند.

البته این محدودیت به معنای ناممکن بودن همه انواع ارتباطات زیرآبی نیست. روش‌هایی مانند ارتباط صوتی زیر آب، ارتباطات نوری در فاصله کوتاه و استفاده از شناورهای واسط نیز وجود دارند؛ اما هرکدام محدودیت‌های خاص خود را دارند.

امواج ELF چگونه به زیردریایی‌ها می‌رسند؟

یکی از راهکارهای ارتباط با زیردریایی‌های غوطه‌ور، استفاده از امواج فوق‌العاده کم‌فرکانس یا ELF است. این امواج در محدوده فرکانسی بسیار پایین، معمولاً در حدود چند ده هرتز، قرار دارند.

هرچه فرکانس یک موج الکترومغناطیسی در محیط رسانایی مانند آب شور کمتر باشد، عمق نفوذ آن معمولاً بیشتر می‌شود. به همین دلیل، امواج ELF در مقایسه با امواج رادیویی متداول می‌توانند به عمق بیشتری از آب دریا نفوذ کنند.

با این حال، میزان نفوذ به عواملی مانند رسانایی آب، فرکانس موج و شرایط محیطی بستگی دارد. بنابراین نمی‌توان یک عمق ثابت را برای همه سامانه‌های ELF در نظر گرفت.

در فرکانس حدود ۸۰ هرتز، طول موج در فضای آزاد تقریباً ۳۷۵۰ کیلومتر است؛ عددی که ابعاد غیرمعمول این فناوری را نشان می‌دهد.

چرا ساخت آنتن ELF به زیرساختی عظیم نیاز دارد؟

در فرکانس‌های بسیار پایین، ساخت آنتنی با ابعاد متعارف که بتواند به‌طور مؤثر انرژی الکترومغناطیسی تابش کند، دشوار است.

برای درک بهتر موضوع، باید بدانیم که طول موج در فرکانس ۸۰ هرتز به چند هزار کیلومتر می‌رسد. یک آنتن ربع‌موج متعارف برای چنین فرکانسی باید طولی نزدیک به ۹۴۰ کیلومتر داشته باشد؛ ابعادی که ساخت یک آنتن عمودی معمولی با آن عملاً امکان‌پذیر نیست.

مهندسان برای غلبه بر این محدودیت، از ساختارهایی استفاده کرده‌اند که در آن‌ها جریان الکتریکی از طریق الکترودهای بزرگ و مسیرهای طولانی در زمین برقرار می‌شود.

در این روش، جریان الکتریکی از یک الکترود وارد زمین می‌شود و از طریق ساختارهای رسانای زیرسطحی به سمت الکترود دیگر حرکت می‌کند. این جریان، همراه با جریان بازگشت، میدان‌های الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که می‌توان از آن‌ها برای ارتباط در فرکانس‌های بسیار پایین بهره برد.

چنین ساختاری را می‌توان نوعی آنتن زمینی یا دوقطبی زمین‌پایه توصیف کرد. با این حال، عملکرد آن دقیقاً مشابه یک آنتن سیمی متعارف نیست و به ویژگی‌های زمین‌شناسی و الکتریکی منطقه وابستگی زیادی دارد.

سامانه ZEVS روسیه؛ ارتباط رادیویی در فرکانس ۸۲ هرتز

یکی از سامانه‌های شناخته‌شده در این حوزه، سامانه ارتباطی ZEVS روسیه در شبه‌جزیره کولا، در شمال‌غرب این کشور و در نزدیکی منطقه مورمانسک است.

این سامانه برای ارسال پیام‌های رادیویی در فرکانس بسیار پایین طراحی شده و در منابع علنی، فرکانس کاری آن حدود ۸۲ هرتز گزارش شده است.

در این نوع سامانه‌ها، به‌جای استفاده از یک دکل عظیم، از الکترودهای زمینی با فاصله زیاد و تجهیزات توان بالا استفاده می‌شود. بخش مهمی از زیرساخت، به تولید جریان الکتریکی و ایجاد میدان‌های الکترومغناطیسی در مقیاس گسترده اختصاص دارد.

با وجود انتشار اطلاعاتی درباره عملکرد ZEVS، تمام جزئیات فنی، توان عملیاتی و شیوه استفاده نظامی از این سامانه به‌صورت عمومی در دسترس نیست. ازاین‌رو، اعداد مربوط به ابعاد دقیق الکترودها یا میزان توان مصرفی باید با احتیاط تفسیر شوند.

چگونه سیگنال ELF در فواصل بسیار دور منتشر می‌شود؟

امواج ELF علاوه بر قابلیت نفوذ بیشتر در آب، ویژگی انتشار متفاوتی در محیط زمین و جو دارند.

این امواج می‌توانند در ساختاری طبیعی که از سطح زمین و لایه‌های رسانای یونوسفر تشکیل شده است، منتشر شوند. این ساختار که به موجبر زمین ـ یونوسفر معروف است، امکان انتشار امواج فرکانس پایین را در فواصل بسیار طولانی فراهم می‌کند.

به همین دلیل، سیگنال‌های ELF ممکن است در فاصله‌هایی بسیار دور از محل فرستنده نیز قابل آشکارسازی باشند.

با این حال، آشکارسازی یک سیگنال در فاصله دور لزوماً به معنای دریافت ارتباطی با کیفیت بالا نیست. در این فناوری، هدف اصلی انتقال اطلاعات محدود با قابلیت اطمینان مناسب است، نه برقراری ارتباط پرسرعت.

چرا ارتباط ELF فقط چند بیت اطلاعات در دقیقه منتقل می‌کند؟

مهم‌ترین محدودیت ارتباطات ELF، پهنای باند بسیار کم آن‌هاست. در نتیجه، این سامانه‌ها برای انتقال مکالمه صوتی، تصاویر، ویدئو یا اطلاعات حجیم طراحی نشده‌اند.

کاربرد اصلی آن‌ها ارسال پیام‌های کوتاه و از پیش تعریف‌شده به زیردریایی‌هاست؛ پیام‌هایی که می‌توانند شامل دستور برقراری ارتباط یا دریافت پیام‌های تکمیلی باشند.

دریافت چنین پیامی نیز لزوماً به این معنا نیست که زیردریایی باید فوراً به سطح آب بیاید. روش پاسخ‌گویی به شرایط عملیاتی، تجهیزات ارتباطی موجود و دستورالعمل‌های مأموریت بستگی دارد.

همچنین، ارتباط ELF معمولاً برای ارسال پیام از ساحل به زیردریایی مناسب‌تر است. زیردریایی برای پاسخ‌گویی مستقیم به یک زیرساخت فرستنده عظیم مشابه نیاز ندارد، اما ارسال پاسخ به ساحل به روش ارتباطی دیگری احتیاج دارد.

پروژه ELF آمریکا چه سرنوشتی داشت؟

ایالات متحده نیز در دوران جنگ سرد، سامانه‌ای مبتنی بر امواج فوق‌العاده کم‌فرکانس برای ارتباط با زیردریایی‌های نظامی توسعه داد.

این پروژه که با عنوان Project ELF شناخته می‌شد، از تأسیسات واقع در ویسکانسین و میشیگان بهره می‌برد و برای ارتباط با زیردریایی‌های مستقر در اعماق اقیانوس طراحی شده بود.

سامانه آمریکایی در فرکانسی حدود ۷۶ هرتز فعالیت می‌کرد و به دلیل نیاز به زیرساخت گسترده، هزینه‌های نگهداری و نگرانی‌های زیست‌محیطی، همواره موضوع بحث بود.

فعالیت این سامانه در ۳۰ سپتامبر ۲۰۰۴ پایان یافت. تعطیلی آن بخشی از تغییرات در زیرساخت‌های ارتباطی نظامی آمریکا بود؛ هرچند اطلاعات عمومی موجود برای نتیجه‌گیری قطعی درباره تمام جایگزین‌های عملیاتی آن کافی نیست.

آیا روسیه، چین و هند همچنان از فناوری ELF استفاده می‌کنند؟

علاقه به ارتباط با زیردریایی‌های مستقر در عمق، محدود به آمریکا و روسیه نیست. در منابع علنی، پروژه‌ها و فعالیت‌هایی در چین و هند نیز به ارتباطات فرکانس پایین و توسعه زیرساخت‌های مرتبط نسبت داده شده‌اند.

با این حال، باید میان پژوهش درباره ELF، توسعه تأسیسات آزمایشی و بهره‌برداری عملیاتی از یک سامانه نظامی تمایز قائل شد.

جزئیات مربوط به وضعیت عملیاتی این پروژه‌ها، توان واقعی فرستنده‌ها و نحوه استفاده از آن‌ها در ارتباطات نظامی، به‌طور کامل و مستقل تأیید نشده است. بنابراین، نمی‌توان صرفاً بر اساس گزارش‌های غیررسمی، وضعیت کنونی همه این کشورها را یکسان دانست.

جمع‌بندی؛ چرا ارتباط با زیردریایی‌ها همچنان دشوار است؟

ارتباط با زیردریایی‌های مستقر در عمق، نمونه‌ای روشن از محدودیت‌های فیزیک در فناوری‌های ارتباطی است. آب شور، امواج رادیویی متعارف را به‌شدت تضعیف می‌کند و استفاده از فرکانس‌های بسیار پایین را به یکی از راهکارهای ممکن برای انتقال پیام به زیردریایی‌ها تبدیل کرده است.

اما طول موج بسیار بزرگ، نیاز به زیرساخت گسترده، هزینه انرژی و پهنای باند محدود، استفاده از این فناوری را به پیام‌رسانی کوتاه و تخصصی محدود می‌کند.

در واقع، سامانه‌های ELF جایگزین اینترنت ماهواره‌ای نیستند؛ بلکه راهکاری مکمل برای شرایطی هستند که ارتباطات رادیویی متداول در دسترس نیستند.

نکته کلیدی این است که ارتباط ELF تنها راه ممکن برای ارتباط با زیردریایی در عمق نیست، اما یکی از فناوری‌های مهم برای ارسال پیام‌های رادیویی از ساحل به زیردریایی‌های غوطه‌ور به شمار می‌رود.