Uma nova estratégia para enviar ondas acústicas através da água poderia potencialmente abrir o mundo das atividades de comunicação de alta velocidade subaquáticas, incluindo mergulho, monitoramento remoto do oceano, e exploração em alto mar.

Aproveitando a rotação dinâmica gerada conforme as ondas acústicas viajam, os momentos angulares orbitais, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) conseguiram compactar mais canais em uma única frequência, aumentando efetivamente a quantidade de informação que pode ser transmitida.

Eles demonstraram isso codificando em forma binária as letras que compõem a palavra "Berkeley, "e transmitindo as informações ao longo de um sinal acústico que normalmente transportaria menos dados. Eles descrevem suas descobertas em um estudo publicado esta semana no Anais da Academia Nacional de Ciências .

"É comparável a ir de uma estrada lateral de faixa única para uma rodovia com várias faixas, "disse o autor correspondente do estudo, Xiang Zhang, cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor da UC Berkeley. "Este trabalho tem um enorme potencial em comunicações acústicas de alta velocidade."

Enquanto a atividade humana abaixo da superfície do mar aumenta, a capacidade de comunicação subaquática não acompanhou o ritmo, limitado em grande parte pela física. As microondas são rapidamente absorvidas pela água, então as transmissões não podem ir longe. A comunicação óptica não é melhor, pois a luz é espalhada por micropartículas subaquáticas ao viajar por longas distâncias.

A acústica de baixa frequência é a opção que resta para a comunicação subaquática de longo alcance. Os pedidos de sonar são abundantes, incluindo navegação, mapeamento do fundo do mar, pescaria, levantamento de petróleo offshore, e detecção de vasos.

Contudo, a compensação com a comunicação acústica, particularmente com distâncias de 200 metros ou mais, é que a largura de banda disponível é limitada a uma faixa de frequência de 20 kilohertz. A frequência tão baixa limita a taxa de transmissão de dados a dezenas de kilobits por segundo, uma velocidade que remonta aos dias das conexões discadas à Internet e modems de 56 kilobits por segundo, disseram os pesquisadores.

"A maneira como nos comunicamos debaixo d'água ainda é bastante primitiva, "disse Zhang." Há um grande apetite por uma solução melhor para isso. "

Os pesquisadores adotaram a ideia de multiplexação, ou combinar diferentes canais em um sinal compartilhado, ou multiplexação, é uma técnica amplamente utilizada em telecomunicações e redes de computadores. Mas a multiplexação do momento angular orbital é uma abordagem que não tinha sido aplicada à acústica até este estudo, disseram os pesquisadores.

Conforme o som se propaga, a frente de onda acústica forma um padrão helicoidal, ou feixe de vórtice. O momento angular orbital dessa onda fornece um grau de liberdade espacial e canais independentes nos quais os pesquisadores podem codificar dados.

"A rotação ocorre em velocidades diferentes para canais com momento angular orbital diferente, mesmo enquanto a frequência da onda em si permanece a mesma, tornando esses canais independentes uns dos outros, "disse o co-autor do estudo, Chengzhi Shi, um estudante de graduação no laboratório de Zhang. "É por isso que poderíamos codificar diferentes bits de dados no mesmo feixe acústico ou pulso. Em seguida, usamos algoritmos para decodificar as informações dos diferentes canais porque eles são independentes uns dos outros."

A configuração experimental, localizado em Berkeley Lab, consistia em um circuito de controle digital com uma matriz de 64 transdutores, juntos, gerando frentes de onda helicoidais para formar canais diferentes. Os sinais foram enviados simultaneamente por canais independentes do momento angular orbital. Eles usaram uma frequência de 16 quilohertz, que está dentro da faixa usada atualmente no sonar. Uma matriz de receptor com 32 sensores mediu as ondas acústicas, e algoritmos foram usados ​​para decodificar os diferentes padrões.

"Modulamos a amplitude e a fase de cada transdutor para formar diferentes padrões e gerar diferentes canais no momento angular orbital, "disse Shi." Para nosso experimento, usamos oito canais, então, em vez de enviar apenas 1 bit de dados, podemos enviar 8 bits simultaneamente. Em teoria, Contudo, o número de canais fornecidos pelo momento angular orbital pode ser muito maior. "

Os pesquisadores notaram que, embora o experimento fosse feito no ar, a física das ondas acústicas é muito semelhante para a água e o ar nesta faixa de frequência.

A expansão da capacidade de comunicações subaquáticas pode abrir novos caminhos para a exploração, disseram os pesquisadores. Essa capacidade adicional poderia eventualmente fazer a diferença entre enviar uma mensagem apenas de texto e transmitir um filme de alta definição de baixo da superfície do oceano. Sondas remotas nos oceanos podem enviar dados sem a necessidade de emergir.

"Sabemos muito mais sobre o espaço e nosso universo do que sobre nossos oceanos, "disse Shi." A razão de sabermos tão pouco é porque não temos as sondas para estudar facilmente as profundezas do mar. Este trabalho pode acelerar drasticamente nossa pesquisa e exploração dos oceanos. "