Cabos de fibra óptica passam por baixo de quase todas as redes urbanas dos Estados Unidos e fornecem internet e TV a cabo a milhões, mas e se esses sistemas também pudessem fornecer informações valiosas relacionadas a eventos perigosos, como terremotos e inundações? Uma equipe de pesquisadores da Penn State descobriu que pode fazer exatamente isso.

Os cientistas estão usando a tecnologia de sensoriamento acústico distribuído por fibra óptica (DAS) para transformar a infraestrutura de telecomunicações existente que já está instalada no subsolo em um recurso valioso para monitorar as vibrações do solo.

"Descobrimos que as fibras podem captar uma ampla variedade de vibrações de sinal, de tempestades a passos humanos e shows de música, "disse Tieyuan Zhu, professor assistente de geofísica na Penn State e investigador principal do projeto. "Podemos até distinguir a música específica em um show pelos padrões dos tons altos e baixos. Essa é uma grande demonstração da sensibilidade desses sensores."

Dispositivos tradicionais de monitoramento sísmico, chamados geofones, são difíceis de implantar em áreas urbanas. Obter permissão e espaço para instalar sensores, protegendo sensores contra roubo e vandalismo, e os altos custos para mantê-los tornam proibitivo obter dados confiáveis ​​de longo prazo, disseram os cientistas.

A tecnologia DAS permite que os cientistas se conectem à fibra não utilizada, chamada fibra escura, reduzindo muito o custo e o tempo de configuração que prejudica os dispositivos tradicionais de monitoramento sísmico. Uma unidade interrogadora a laser simplesmente precisa ser conectada a uma extremidade de um trecho de fibra para começar a coletar dados, disseram os cientistas.

"Vários experimentos na Califórnia foram realizados por equipes usando a infraestrutura de telecomunicações existente, "Zhu disse." Mas implantar essa tecnologia na Costa Leste é importante porque temos uma geologia muito especial aqui. "

O solo e o leito rochoso raso na região das Montanhas Allegheny criam propriedades geofísicas complexas próximas à superfície. O leito de rocha subjacente pode se dissolver lentamente devido à circulação da água subterrânea, que podem formar buracos e cavernas. Especialmente em áreas urbanas, o colapso do sumidouro e a resolução de problemas podem ameaçar a segurança humana e a propriedade. Além disso, fortes variações sazonais de temperatura e precipitação criam um ambiente muito diferente daquele da Califórnia.

Zhu e sua equipe de pesquisa criaram o projeto Penn State Fiber-Optic for Environmental SEnsEing (FORESEE), a primeira implantação da tecnologia DAS no leste dos EUA. O objetivo deste projeto era enfrentar o desafio de longa data de monitoramento em tempo real do meio ambiente e físico subterrâneo, mudanças químicas e biológicas nas áreas urbanas. A FORESEE também tem como objetivo desenvolver os arrays de detecção de fibra DAS para transformar o campus da Penn State University Park e áreas adjacentes em um laboratório vivo para a coleta de dados de alta resolução sobre o meio ambiente, sistemas de energia e infraestrutura. Os pesquisadores relatam seus resultados em Terra Sólida .

A equipe obteve acesso a cabos de fibra óptica escuros sob o campus e converteu o cabo em 2, 300 sensores sísmicos usando DAS. Em seguida, eles registraram continuamente os dados de vibração do solo ao longo do trecho de 3 milhas a partir de abril de 2019. O experimento gerou muitas dezenas de terabytes de dados, que foi armazenado em um servidor de armazenamento conectado à rede. O servidor foi então conectado a uma rede de internet, fornecendo aos cientistas acesso remoto aos dados em tempo real. A densidade das gravações DAS forneceu resolução extraordinária que permitiu uma visão sobre sua causa e permitiu aos pesquisadores distinguir entre vários sinais, disseram os cientistas.

Os resultados preliminares sugerem que o DAS tem a capacidade de detectar vibrações de banda larga e discriminar entre as assinaturas sísmicas de diferentes terremotos e fontes antropogênicas de eventos como explosões de mineração, veículos, concertos de música e passos de caminhada.

Mas o DAS não vem sem limitações. Os geofones tradicionais têm três componentes, dois sensores horizontais e um sensor vertical, permitindo-lhes capturar vibrações em todas as direções. Tecnologia DAS, Contudo, só é capaz de detectar vibrações horizontalmente, pois não há necessidade de sensores verticais em cabos de fibra ótica destinados à internet e cabo. Portanto, os dados não são tão abrangentes quanto os dados dos geofones tradicionais.

"Sabemos que isso é uma limitação, "Zhu disse." Esperançosamente nos próximos cinco anos, isso pode ser superado por uma nova tecnologia de fibra óptica. "

Além de seus usos geológicos, O DAS pode fornecer percepções sobre diversos padrões de atividades humanas relevantes para a saúde pública e o planejamento urbano. Monitoramento de tráfego e redirecionamento que não requerem dados privados de telefones celulares, detecção de tiro, o monitoramento da poluição sonora industrial e o monitoramento da concessionária de água subterrânea podem ser melhorados por meio do uso da tecnologia DAS, disseram os cientistas. O valor do DAS também foi reconhecido em ambientes inacessíveis e hostis, permitindo observações oceânicas offshore e a capacidade de monitorar a estabilidade do permafrost no Ártico.

Agora que os pesquisadores sabem o que a tecnologia pode fazer, Zhu disse que o próximo passo é usar o DAS para monitorar eventos menores a longo prazo, como os movimentos subterrâneos que levam a ralos e inundações. Eles também querem observar os eventos que ocorrem onde a atmosfera encontra a Terra, uma vez que atualmente não há como monitorar como a energia de uma tempestade afeta a superfície sólida da Terra.

"Os arrays DAS utilizando fibras de telecomunicações existentes podem desempenhar um papel cada vez maior no desenvolvimento de resilientes, cidades sustentáveis, "Zhu disse.