Onder water filmpjes sturen

Communicatie

In zee data verzenden gebeurt met geluidsgolven en verloopt uiterst traag. Nu kan het sneller.

Foto iStock

Een nieuwe manier om informatie te versturen met geluidsgolven kan een doorbraak betekenen voor communicatie onder water.

Onderzoekers van het instituut Berkeley Lab in Californië kregen het voor elkaar om acht keer meer informatie in een akoestisch signaal te stoppen dan tot nu toe mogelijk was. Ze demonstreerden dit door de binaire codering (in de vorm van enen en nullen) voor het woord ‘Berkeley’ te versturen.

De techniek is beperkt getest. De onderzoekers verstuurden het signaal enkele meters door de lucht, volgens henzelf omdat hun laboratorium niet beschikt over een geschikt waterbassin. In hun artikel in Proceedings of the National Academy of Sciences schrijven de onderzoekers echter dat hun bevindingen ook gelden onder water. De geluidsgolven die ze gebruikten, bewegen op dezelfde manier door water als door lucht.

De vraag naar snellere onder-watercommunicatie groeit doordat er steeds meer onderzeeërs en onderzoeksapparatuur aanwezig zijn onder het wateroppervlak.

De huidige onderzeese communicatienetwerken hebben een snelheid van slechts enkele tientallen kilobits per seconde, vergelijkbaar met die van oude inbelverbindingen. Onbemande onderzoeksonderzeeërs bijvoorbeeld kunnen daardoor hun verzamelde data nauwelijks versturen zolang ze nog op zee zijn. „Dat komt doordat geluidsgolven de enige manier zijn om onder water informatie te versturen over grote afstanden”, vertelt Chengzhi Shi van Berkeley Lab in een mail. Het Berkeley Lab (Lawrence Berkeley National Laboratory) is een overheidsinstituut dat gevestigd is naast de universiteitscampus van Berkeley.

De frequentie van die geluidsgolven is laag (tot 20 kilohertz), in vergelijking met de straling die we gebruiken voor alledaagse draadloze communicatie zoals wifi en mobiele telefoonverbindingen. De frequentie daarvan ligt in de orde van grootte van megahertz en gigahertz, en ligt dus duizend tot een miljoen keer zo hoog als de frequentie van geluidsgolven.

Straling kan onder water niet gebruikt worden omdat die wordt geabsorbeerd door het water. En lichtsignalen komen in de zee niet verder dan 200 meter, doordat ze verstrooid worden.

Het probleem van de laagfrequente akoestische signalen is dat ze weinig informatie bevatten. „Daardoor kunnen er real-time alleen kleine bestanden, zoals tekstberichten, verstuurd worden.” En het verzenden van grote bestanden gaat traag: een YouTube-filmpje van een paar minuten versturen, duurt zeker een uur.

De onderzoekers denken dat ze die informatiedichtheid flink kunnen opkrikken door gebruik te maken van de rotatiesnelheden van geluidsgolven. Een akoestisch signaal dat voortbeweegt door lucht of water kan, naast een voorwaartse ook een ronddraaiende beweging hebben, waardoor het golffront een helixvorm krijgt.

De onderzoekers hebben het voor elkaar gekregen om met microfoons een geluidssignaal zo te bewerken dat de rotatiesnelheid van de golven in het signaal informatie bevat. Elke golf heeft een eigen rotatiesnelheid en daarmee een eigen eenheid van informatie. Golven met verschillende rotatiesnelheden verstoren elkaar niet en kunnen daarom tegelijkertijd verstuurd worden. Op die manier kan in één keer een hoeveelheid informatie verstuurd worden.

„Informatie verpakken in de rotatie van golven gebeurt al met licht en radiostraling”, mailt Ian Akyildiz, hoogleraar telecommunicatie van het Georgia Institute of Technology in Atlanta (VS), die niet betrokken was bij het onderzoek. „Het is interessant dat de onderzoekers een stap verder gaan door de techniek gebruiken voor akoestische communicatie onder water.”

Om acht keer meer informatie in een akoestisch signaal te verwerken, hadden de onderzoekers 64 microfoons nodig. „In theorie kan er oneindig veel informatie in het signaal gestopt worden”, zegt Chengzhi Shi. Hoe meer microfoons je gebruikt, hoe meer informatie per seconde je kunt versturen.