Ερευνητές δημιούργησαν κεραία… φωτόσπαθο για δορυφορικές επικοινωνίες

Σύνοψη

• Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας (NC State) κατασκεύασαν την πρώτη λειτουργική κεραία εκπομπής ραδιοκυμάτων χρησιμοποιώντας αποκλειστικά μια ακτίνα πλάσματος, καταργώντας πλήρως τα παραδοσιακά μεταλλικά στελέχη.
• Η τεχνολογία αξιοποιεί την ικανότητα των λέιζερ να ιονίζουν τον αέρα, δημιουργώντας ένα ρυθμιζόμενο νήμα πλάσματος (LIPF) το οποίο τροφοδοτείται ασύρματα μέσω ενός χωρητικού δακτυλίου για την εκπομπή σημάτων στη συχνότητα των 30 MHz (VHF).
• Τα πειραματικά δεδομένα επιβεβαιώνουν εντυπωσιακή αύξηση της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος κατά 150% (2.5 φορές) όταν ενεργοποιείται το νήμα πλάσματος, επιβεβαιώνοντας τη βιωσιμότητα της μεθόδου.
• Οι μελλοντικές εφαρμογές της νέας προσέγγισης εντοπίζονται πρωτίστως στη διαστημική εξερεύνηση, καθώς οι δορυφόροι χαμηλής τροχιάς θα μπορούν να αλλάζουν το μήκος και την κατεύθυνση των κεραιών τους χωρίς πολύπλοκους μηχανισμούς ανάπτυξης.

Η ανάπτυξη ασύρματων δικτύων επικοινωνίας και ραντάρ βασιζόταν πάντοτε στους φυσικούς περιορισμούς που επιβάλλουν τα υλικά κατασκευής των κεραιών. Το μήκος ενός μεταλλικού αγωγού καθορίζει με απόλυτη αυστηρότητα τις συχνότητες στις οποίες μπορεί να συντονιστεί, να εκπέμψει και να λάβει ηλεκτρομαγνητικά σήματα. Οποιαδήποτε απόπειρα τροποποίησης της συχνότητας λειτουργίας απαιτεί την ενσωμάτωση πολύπλοκων μηχανισμών φυσικής ανάπτυξης ή σύμπτυξης των μεταλλικών στελεχών.

Οι ερευνητές του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας (NC State), σε συνεργασία με επιστήμονες από τα Πανεπιστήμια Texas A&M και Princeton, παρουσίασαν μια ριζοσπαστική εναλλακτική λύση που καταργεί εντελώς την ανάγκη για συμβατικά στερεά υλικά στην κατασκευή των κεραιών. Η δημοσίευση της ερευνητικής τους εργασίας επιβεβαιώνει την πρώτη επιτυχημένη πειραματική επίδειξη μιας κεραίας πλάσματος η οποία παράγεται αποκλειστικά από εστιασμένη δέσμη λέιζερ.

Το επιστημονικό επίτευγμα βασίζεται στην εκμετάλλευση της τέταρτης κατάστασης της ύλης, του πλάσματος, το οποίο διαθέτει ελεύθερα ηλεκτρόνια και μπορεί να αλληλεπιδράσει ισχυρά με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Εκπέμποντας μια δέσμη λέιζερ συγκεκριμένης ισχύος και διαμέτρου μέσα στην ατμόσφαιρα, οι ερευνητές κατορθώνουν να αποσπάσουν ηλεκτρόνια από τα άτομα και τα μόρια του αέρα. Η διαδικασία ιονισμού οδηγεί στο σχηματισμό ενός εξαιρετικά λεπτού και συγκεντρωμένου διαύλου πλάσματος, ο οποίος ονομάζεται νήμα πλάσματος. Το νήμα διαθέτει ηλεκτρόνια στα άκρα του, λειτουργώντας πρακτικά με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που συμπεριφέρονται τα επιφανειακά ηλεκτρόνια ενός τυπικού μεταλλικού αγωγού. Αντί να αναπτύξουν έναν μεταλλικό ιστό, οι μηχανικοί δημιουργούν τον αγωγό στιγμιαία μέσα στον ίδιο τον αέρα, προσφέροντας απόλυτο έλεγχο πάνω στα φυσικά του χαρακτηριστικά χωρίς χωρικές δεσμεύσεις.

Η κρισιμότερη τεχνική πρόκληση που κλήθηκε να αντιμετωπίσει η ερευνητική ομάδα αφορούσε τον τρόπο με τον οποίο το παραγόμενο νήμα πλάσματος θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί με το επιθυμητό ραδιοφωνικό σήμα προς εκπομπή. Η άμεση μεταλλική επαφή με το πλάσμα κρίθηκε απολύτως απαγορευτική, διότι η φυσική παρουσία ενός αγωγού στο σημείο επαφής διαστρεβλώνει ανεπανόρθωτα τη δομή του νήματος και καταστρέφει τις ιδιότητες του. 

Η λύση δόθηκε μέσω του σχεδιασμού ενός συστήματος ανέπαφης τροφοδοσίας, το οποίο αξιοποιεί τη χωρητική σύζευξη. Ένας μεταλλικός δακτύλιος λειτουργεί ως πυκνωτής, επιτρέποντας στη δέσμη λέιζερ να περάσει ακριβώς από το κέντρο του. Μέσω μιας γεννήτριας ραδιοσυχνοτήτων, το ηλεκτρικό σήμα διοχετεύεται στον δακτύλιο δημιουργώντας ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά άμεσα με το νήμα πλάσματος που βρίσκεται στο εσωτερικό του, μεταφέροντας την ενέργεια χωρίς καμία απολύτως φυσική επαφή. Αποτέλεσμα της διεργασίας είναι το νήμα πλάσματος να αρχίσει να ακτινοβολεί το δικό του ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, εκπέμποντας ραδιοκύματα στη συχνότητα των 30 MHz.

Τα πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από τις δοκιμές της διάταξης είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά για την περαιτέρω εξέλιξη της μεθόδου. Η ερευνητική ομάδα τοποθέτησε μια τυπική κεραία λήψης σε απόσταση περίπου πέντε εκατοστών, διατηρώντας τη γραμμική πόλωση και τον ίδιο προσανατολισμό με το σύστημα εκπομπής μέσα στο ανεμπόδιστο κοντινό πεδίο. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν αρχικά έχοντας το λέιζερ απενεργοποιημένο, καταγράφοντας την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος που προερχόταν αποκλειστικά από τον χωρητικό δακτύλιο. Όταν το λέιζερ ενεργοποιήθηκε και το νήμα πλάσματος ανέλαβε τον ρόλο της κεραίας εκπομπής, καταγράφηκε αύξηση της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος κατά 2.5 φορές. Η τεράστια αύξηση της τάξης του 150% πιστοποιεί πέραν πάσης αμφιβολίας την ικανότητα του συστήματος να εκπέμπει αποδοτικά στην μπάντα των υπερυψηλών συχνοτήτων (VHF).

Οι εφαρμογές που προκύπτουν από την εντυπωσιακή ευελιξία του συστήματος εστιάζουν κυρίως σε τομείς όπου η διαχείριση του βάρους και του όγκου του εξοπλισμού αποτελεί πρωταρχικό μέλημα των μηχανικών. Τροποποιώντας τις παραμέτρους λειτουργίας του λέιζερ, οι χειριστές μπορούν να μεταβάλλουν άμεσα το μήκος του νήματος πλάσματος, επιτρέποντας στην κεραία να σαρώνει ένα τεράστιο εύρος συχνοτήτων ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες επικοινωνίας. Παράλληλα, εξαλείφεται πλήρως η ανάγκη για πολύπλοκους ηλεκτροκινητήρες και περιστρεφόμενες βάσεις, αφού η αλλαγή της γωνίας εκπομπής της κεραίας επιτυγχάνεται απλώς αλλάζοντας την κατεύθυνση της δέσμης φωτός (beam steering). Τα συστήματα ραντάρ θα μπορούσαν να κατευθύνουν τα σήματά τους σε κλάσματα του δευτερολέπτου προς οποιαδήποτε κατεύθυνση επιθυμούν, αυξάνοντας δραματικά την ταχύτητα απόκρισης και την ακρίβεια εντοπισμού των στόχων στον εναέριο χώρο.

Η αεροδιαστημική βιομηχανία αναμένεται να αποτελέσει τον κύριο αποδέκτη των πλεονεκτημάτων που προσφέρει η κεραία πλάσματος. Οι δορυφόροι αντιμετωπίζουν αυστηρούς περιορισμούς ως προς το ωφέλιμο φορτίο που μπορούν να μεταφέρουν κατά την εκτόξευσή τους. Τα παραδοσιακά συστήματα επικοινωνίας απαιτούν εξαιρετικά περίπλοκους μηχανισμούς ανάπτυξης οι οποίοι ξεδιπλώνονται αφότου το διαστημικό σκάφος τεθεί στην τελική του τροχιά. Η παραμικρή μηχανική βλάβη κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης μπορεί να καταστήσει έναν δορυφόρο εκατοντάδων εκατομμυρίων ευρώ πλήρως άχρηστο. Η χρήση ενός κεντρικού συστήματος λέιζερ για τη δημιουργία κεραιών πολλαπλών χρήσεων μειώνει ραγδαία τα μηχανικά εξαρτήματα. Οι αναλύσεις των ερευνητών επισημαίνουν πως η χαμηλή γήινη τροχιά (Low Earth Orbit) διαθέτει επαρκή ποσότητα ατμοσφαιρικού αέρα ώστε να επιτρέψει τον ιονισμό και τον σχηματισμό του απαραίτητου πλάσματος, καθιστώντας την προσέγγιση απόλυτα εφαρμόσιμη για την επόμενη γενιά δορυφορικών δικτύων.

Η ερευνητική εργασία σηματοδοτεί το πρώτο ουσιαστικό βήμα προς την πιθανή αντικατάσταση των στερεών κεραιών σε εξειδικευμένες βιομηχανικές εφαρμογές. Αν και το σύστημα έχει αποδείξει την ικανότητα του στην εκπομπή ραδιοκυμάτων, η ερευνητική ομάδα προετοιμάζεται ήδη για το επόμενο στάδιο πειραμάτων. Οι μελλοντικές δοκιμές θα επικεντρωθούν στην πιστοποίηση της ικανότητας του νήματος πλάσματος να λειτουργεί εξίσου αποτελεσματικά και ως κεραία λήψης σημάτων, καθώς και στη δοκιμή του συστήματος σε ευρύτερες ζώνες συχνοτήτων. 

Οι τεχνολογικές προεκτάσεις της μεθόδου αφήνουν τεράστια περιθώρια βελτιστοποίησης, φέρνοντας τις επικοινωνίες μέσω πλάσματος ένα βήμα πιο κοντά στην ευρεία εμπορική και στρατιωτική αξιοποίηση.