Vítáme vás u znovuobnoveného seriálu Vědecké okénko. Pokud jste našimi dlouholetými čtenáři, jistě vám neuniklo, že tento seriál již pamatuje nějaké roky, neboť vycházel mezi lety 2011 až 2015. Vědy ale není nikdy dost, některé technologie ještě v době psaní seriálu nebyly aktuální, jiné by zase neměly být zapomenuty, a pokusíme se tedy opět rozšiřovat vaše (a vlastně i naše) vědomosti o mobilních zařízeních, které používáte každý den. Dnes se podíváme na historii dálkové komunikace od telegrafních drátů po moderní optické kabely.

Lidé jsou živočišný druh, který je od přírody více či méně komunikativní. Jako jediný si dokázal za miliony let vývoje osvojit schopnost mluvit. A co je možná ještě zajímavější, složitě komunikovat s pomocí elektroniky, která dokáže na dálku odesílat nuly a jedničky a příjemci doručit zprávu bezchybně na vzdálenosti tisíců kilometrů. Přemýšleli jste, co je k tomu zapotřebí? Pokud vás napadly satelity, které obíhají Zemi, dobrá úvaha, nicméně špatná odpověď. Většina mezikontinentální komunikace se odehrává hluboko pod oceánem, na jinak nedostupném dně, kde bylo jen pár lidí z celého světa. Pojďme se ale podívat dvě stě let nazpátek, do doby po vynálezu telegrafu.

Začalo to telegrafem

V září 1851 se poprvé po několika pokusech podařilo kabelem překlenout kanál La Manche. I když je to z dnešního hlediska jen pár kilometrů, položení provázelo mnoho problémů. V této době napadla snílky po světě mnohem větší výzva, která ve své době zněla naprosto šíleně. Spojit Evropu s Amerikou. Podnikatel Cyrus Field nakonec usoudil, že nastal čas to zkusit.

Na vývoji telegrafního kabelu se podílelo mnoho lidí. V roce 1858 přišli s kabelem, tvořeným sedmi měděnými dráty obalenými gutaperčou (hmotou podobnou kaučuku), vázaným konopnými provazy, zalitým asfaltem a chráněným železnými dráty. Vyskytly se dva problémy. Vodič klade procházejícímu proudu odpor, což na obrovských vzdálenostech způsobovalo útlum signálu. Navíc, jak objevil Michael Faraday, pohybující se elektrický náboj má kapacitu vůči vodě (přitahuje opačné náboje, tedy kladné), tudíž výstup jeví oproti vstupu znatelné zpoždění. Inženýři v čele s Edwardem Westinghousem to ignorovali a snažili se zvyšovat napětí až ke 2 000 voltům, což byl fatální omyl. Došlo k poškození izolace a vedení se po měsíci zkratovalo. Mimochodem, Morseovou abecedou šlo přenést sotva pár písmen za minutu.

Moderní a tehdejší kabely jsou sice podobné průměrem a strukturou, ale fungují úplně jinak.

Pořádně mastné účty

Trvalo to dalších devět let, než se podařil reparát. Druhým kabelem bylo možné přenést pět až osm slov za minutu. Za použití se platilo pět dolarů za slovo, což v přepočtu na dnešní měnu vychází na astronomických 1770 Kč! (Vidíte, telekomunikace dnes je vlastně neuvěřitelně levná.) Díky tomu se i mimořádně nákladná stavba za milion tehdejších dolarů (dnes cca 350 mil. Kč) zaplatila a koncem 19. století již na dně oceánu leželo deset hlavních linek. Komunikace násobně zrychlila, když operátory na koncích nahradilo elektromagnetické relé a stále větší nabídka služeb způsobila zlevňování přenosu.

Takto vypadaly sály, kde operátoři seděli u telegrafů a předávali zprávy.

Úsilí se vyplatilo a William Thomson byl dokonce za matematickou analýzu šíření signálů a další objevy povýšen na lorda Kelvina. Další fyzik, Oliver Heaviside později navázal na jeho výpočty a odvodil tzv. telegrafní rovnice, které navíc počítají s efektem indukčnosti vodičů zejména při vyšší frekvenci signálu (každý vodič se chová také jako anténa) a podobné rovnice jsou dodnes zásadní při konstrukci dálkových elektrických vedení.

Postupně začala být také nutná údržba. Nebylo nadále udržitelné nechat staré kabely ladem na dně a pořád umísťovat nové, a tak se začaly vést přesné záznamy o trasování. Poškozená sekce se vyzvedne na palubu, opraví a vrátí zpět. V oblasti údržby se toho moc nezměnilo dodnes, jen díky použití navigace celý proces proběhne výrazně rychleji.

Mapa telegrafních kabelů z roku 1901.

Od 20. let minulého století začaly sílit hlasy, že kabely jsou přežitek 19. století. Když Nikola Tesla předvedl možnost bezdrátové komunikace, zdálo se, že kabely to mají navždy spočítané. Jenže se ukázalo, že takové přenosy jsou ještě nákladnější a problematičtější, navíc snadněji odposlouchávatelné. A tak se pokračovalo ve vývoji pod hladinou. Začaly se přenášet místo písmen celé hovory, což přineslo novou zkoušku: kabely musely vést kromě dat i vysoké napětí a na úsecích byly instalovány zesilovače – nejprve elektronkové, později tranzistorové.

Roku 1956 přišel průlom se zprovozněním čistě telefonního páru kabelů TAT-1 mezi Skotskem a kanadským ostrovem Newfoundland. Neplatilo se již za slova, ale za minuty přenosu, která vyšla tehdy na tři libry (dnes cca 500 Kč). Následný vývoj byl raketový. Během deseti let se zvýšila kapacita hovorů ze 36 na 4 000. Bylo jasné, že kabely vyhrávají před satelity na plné čáře rychlostí přenosu a cenou. A perlička – některé kabely ze 60. letech našly dnes využití k měření zemětřesení.

Budiž světlo

Když pak přišla roku 1988 další technická revoluce, bylo rozhodnuto. Světlo nahradilo elektřinu a svět ovládly optické kabely. TAT-8, osmý datový kabel na dně oceánu byl první s takovou technologií. Na vývoji se podílela AT&T, France Télécom a British Telecom. I ten zasáhly některé dětské nemoci – vzhledem k použití skla se izolovala jen vrstva s vedením elektřiny pro zesilovače. Projevilo se to již brzy, kdy zvědavý živočich prokousal kabel až k zesilovači, kde ho zabil elektrický šok a část světa byla opět odpojena.

Samotná pokládka je náročná a vyžaduje speciální lodě, které nejprve zaměří optimální trasu podle členitosti mořského dna. Vybere se adekvátní tloušťka kabelu a vzdálenost mezi jednotlivými úseky se zesilovači. Jeden 100km úsek se pokládá přibližně den.

https://www.youtube.com/watch?v=KDcdgcRtvBQ

Jádro optického kabelu tvoří mnoho vláken z nejčistšího křemenného skla, každé tenké jen setiny milimetru. Tím prochází infračervené záření o vlnové délce nejčastěji kolem 1 550 nm, které s oxidem křemičitým téměř nereaguje, útlum je znatelný až po stovkách kilometrů. Často se používá více vlnových délek, kdy každá představuje jeden přenášený kanál. Díky totálnímu odrazu na rozhraní jádra a pláště se vlákno chová jako vlnovod a světlo nemůže uniknout ven.

Podle Snellova zákona dochází na rozhraní dvou prostředí k lomu světelného paprsku. Záleží na tom, kterým materiálem prochází světlo snadněji. Pro každý přechod ale existuje ještě tzv. mezní úhel. Když ho překročíme, k žádnému lomu nedochází a světlo se totálně odrazí zpět do původního prostředí, jak je vidět na obrázku.

Rychlost světla ve skle dosahuje zhruba 200 000 km/s, tedy dvou třetin rychlosti ve vakuu, takže zpoždění mezi Evropou a Amerikou je v setinách sekundy. Běžně se instalují cca po sto kilometrech několikametrové opakovače na bázi iontů erbia, které se budí silným laserem a opakují bezchybně dodávaný signál. Zařízení funguje tak, že je do laseru vedeno kovovou linkou napětí, které vybudí polovodičový laser na bázi např. fosfidu inditého a ten vyzařuje záření o vlnové délce 1 480 nm. To pohlcují ionty erbia ve speciálním optickém vlákně a samy vyzařují potřebné infračervené záření o specifické vlnové délce 1 550 nm.

Samotná konstrukce opakovače je poměrně složitá a náchylná na poškození.

Průřez kabelem popisuje následující obrázek.

Skleněné jádro z mnoha vláken (8) je obaleno voskem (7) a vloženo do měděného vodiče (6). Ten je izolován polykarbonátem (5) a následuje další kovová vrstva (4), nejčastěji z hliníku, která zabraňuje vniknutí vody. Pro zpevnění je konstrukce obalena ocelovými lany (3) a opět zaizolována plastovou vrstvou, nejprve fólií Mylar z PET (polyethylentereftalátu) a konečně PE (polyethylenem), aby konstrukce odolala agresivní slané vodě. Celý kabel má v průměru zhruba 2,5 cm, drtivou většinu tvoří izolace. Na pobřeží, kde se kabel vynoří z vody, se kvůli eliminaci rizik používají i větší průměry.

Něco lepšího hned tak nebude

Dnes je na dně moří a oceánů položeno celkem 378 funkčních kabelů a číslo dále roste. Jejich celková délka přesahuje 1,2 milionu kilometrů, nejkratší mají něco přes 100 km, nejdelší až 20 000 km a propojují všechny světadíly kromě Antarktidy. Většinu z nich staví ve spolupráci velké telekomunikační společnosti a náklady jdou do miliard. Přenosová rychlost nejnovějších kabelů je v řádu desítek Tb/s, což je enormní porce dat. Kabely jsou projektovány na minimálně 25 let provozu, ale pokrok jde tak rychle dopředu, že jsou často vyměněny ještě před touto dobou kvůli nedostatečné přenosové rychlosti. Každý rok také velká částka směřuje do oprav těch stávajících, z průměrné stovky poruch jsou jich tři čtvrtiny způsobené lidskou činností, tedy rybářstvím a kotvením lodí u pobřeží. Když uvážíme aktuální dostupnost technologií, můžeme si být jistí, že optické kabely tu s námi ještě nějakou dobu budou.

Aktuální mapa kabelů po světě. Zakreslení je přibližné.

zdroj: Submarine Cable Systems, Telegeography