Könnten Unterseekabel Sie vor einem Tsunami retten?

Unterseekabel könnten helfen, Naturkatastrophen zu erkennen (Quelle: Vismar UK/Shutterstock.com)

Fasersensoren reagieren empfindlich auf Temperatur, Dehnung und mechanische Störungen und ermöglichen Techniken wie Phaseninterferometrie, Polarisationsinterferometrie sowie Rayleigh-, Brillouin- und Raman-Streuung. Die optischen Fasern, die in Form von optischen Netzwerken am Himmel, unter der Erde und auf dem Meeresboden existieren, könnten nicht nur Menschen verbinden, sondern auch einzigartige Möglichkeiten für Messungen in weiten Gebieten bieten, in denen herkömmliche Messungen oft schwierig oder unmöglich sind.

Vor allem dank der Telekommunikationsindustrie ist der Einsatz von Glasfasern weit verbreitet, doch in den letzten Jahren ist die Fähigkeit von Glasfaserkabeln, Umweltfaktoren zu erkennen, immer offensichtlicher geworden. Derzeit gibt es kaum Überschneidungen zwischen diesen Netzwerken. In jüngster Zeit wurden Anstrengungen unternommen, ihre Infrastruktur zusammenzuführen, um beiden Sektoren Kosten- und Abdeckungsvorteile zu bieten.

„Parallel zur optischen Kommunikation gibt es ein ganzes Feld der Fasersensorik. Der Grund ist ganz einfach: Die gleiche Faser, die wir für die Telekommunikation lieben, ist tatsächlich ein großartiger Sensor“, sagte Mikael Mazur von Nokia Bell Labs während einer Präsentation auf der diesjährigen OFC in San Diego im März.

Der Versuch, Telekommunikations- und Sensornetzwerke zu verschmelzen, bringt für beide Vorteile mit sich. Die Telekommunikationsbranche könnte die Zuverlässigkeit ihrer Netzwerke erhöhen und künftige Ausfälle verhindern. Und die Industrie könnte ihre Abdeckung erweitern oder die Erfassung in Bereichen ermöglichen, in denen dies noch nicht möglich ist, beispielsweise wenn die Kosten oder der Einsatz von Kabeln unerschwinglich sind.

„Ich würde gerne glauben, dass dies eine großartige Gelegenheit sein könnte, Glasfaser-Kommunikationssystemen eine viel größere Rolle in unserer Gesellschaft zu ermöglichen, als sie es heute sind, indem sie nicht nur die Daten übertragen, sondern uns auch weltweit Echtzeit ermöglichen.“ Roadmap dessen, was vor sich geht“, sagte Mazur.

Im Unterwasserbereich wurde viel über die Nutzung von Telekommunikationsnetzen zur Umwelterfassung geforscht. Im Jahr 2022 demonstrierte ein Wissenschaftlerteam des National Physical Laboratory (NPL) eine neue Technik, um unterseeische Strom- und Telekommunikationskabel in Arrays von Umweltsensoren umzuwandeln.

Frühere Arbeiten von NPL im Jahr 2018 zeigten, dass Unterseekabel durch den Einsatz ultrastabiler interferometrischer Techniken als Sensoren für die Erkennung von Unterwasserbeben umfunktioniert werden könnten. Allerdings konnte ein Kabel nur als einzelner Sensor fungieren und die Messungen beschränkten sich nur auf die integrierten Änderungen über die gesamte Länge des Kabels. Die neue Forschung zeigt, wie einige Kabel in eine Reihe von Sensoren umgewandelt werden können und nicht nur in einen einzelnen Sensor.

Das vom NPL geleitete Team, zu dem Forscher der University of Edinburgh, des British Geological Survey, des Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) und Google gehörten, testete die Technik auf einer 5.860 km langen interkontinentalen U-Boot-Glasfaserverbindung zwischen Großbritannien und Kanada. Sie demonstrierten die Erkennung von Erdbeben und Meeressignalen wie Wellen und Strömungen auf einzelnen Spannen zwischen Repeatern, die über die gesamte transatlantische Verbindung verteilt sind. Die Glasfaser in jedem Abschnitt fungierte als Sensor, wobei bis zu 12 Sensoren entlang des Kabels implementiert waren. Zukünftige Upgrades werden diese Zahl auf 129 erhöhen. Entscheidend ist, dass die Daten dieser Sensoren kontinuierlich und in Echtzeit aufgezeichnet werden können. Die kabelbasierte Sensoranordnung kann den epizentralen Bereich von Erdbeben auf die gleiche Weise identifizieren wie landgestützte Seismometer.

Man geht davon aus, dass durch die Anwendung dieser neuen Methode auf ein bestehendes Netzwerk von Unterseekabeln riesige und derzeit nicht überwachte Gebiete des Ozeans potenziell mit Tausenden von permanenten Echtzeit-Umweltsensoren ausgestattet werden könnten. Es könnte die Unterwasser-Telekommunikationsinfrastruktur effektiv in eine riesige Reihe geophysikalischer Sensoren verwandeln. Die Integration dieses Ansatzes in aktuelle seismometerbasierte Netzwerke könnte das Potenzial bieten, die globale Erdbebenüberwachungsinfrastruktur vom Land bis zum Meeresboden, wo derzeit nur eine Handvoll permanenter Seismometer installiert sind, erheblich zu erweitern.

Google arbeitete außerdem mit dem California Institute of Technology (Caltech) zusammen, um eine Methode zu entwickeln, mit der vorhandene Unterseekabel zur Erkennung von Erdbeben genutzt werden können. Das Team am Caltech entwickelte eine Möglichkeit, das Licht zu analysieren, das durch bestehende und funktionierende Unterseekabel wandert, um Erdbeben und Meereswellen zu erkennen, ohne dass zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist.

Die Forscher konzentrierten sich auf das Curie-Kabel, das sich über mehr als 10.000 Kilometer am östlichen Rand des Pazifischen Ozeans von Los Angeles nach Valparaiso in Chile erstreckt. An Land können viele Faktoren wie Temperaturschwankungen und Blitzeinschläge die Polarisation des durch Kabel fließenden Lichts verändern. Da die Temperatur im Ozean nahezu konstant bleibt und es weniger Störungen gibt, stellte das Team fest, dass die Änderung der Polarisation von einem Ende des Curie-Kabels zum anderen über die Zeit recht stabil bleibt. Bei Erdbeben und Stürmen, die große Meereswellen erzeugen, ändert sich dies jedoch plötzlich und dramatisch, sodass die Forscher solche Ereignisse in den Daten leicht identifizieren können.

Mit der neuen Technik fungiert die gesamte Länge eines Unterseekabels als ein einziger Sensor an einer schwer zu überwachenden Stelle. Die Polarisation kann bis zu 20 Mal pro Sekunde gemessen werden. Wenn also ein Erdbeben in der Nähe eines bestimmten Gebiets auftritt, könnte innerhalb von Sekunden eine Warnung an die potenziell betroffenen Gebiete gesendet werden.

Während der neun Testmonate, über die in der Studie berichtet wird (zwischen Dezember 2019 und September 2020), entdeckten die Forscher etwa 20 mittelschwere bis schwere Erdbeben entlang des Curie-Kabels, darunter das Erdbeben der Stärke 7,7, das sich am 28. Januar vor Jamaika ereignete , 2020. Obwohl während der Studie keine Tsunamis entdeckt wurden, konnten die Forscher Veränderungen in der Polarisation feststellen, die durch Meereswellen verursacht wurden, die ihren Ursprung im Südpolarmeer hatten. Sie glauben, dass die während dieser Ereignisse beobachteten Polarisationsänderungen durch Druckänderungen entlang des Meeresbodens verursacht wurden, als starke Wellen am Kabel vorbeikamen. „Das bedeutet, dass wir Meereswellen erkennen können, daher ist es plausibel, dass wir eines Tages Tsunamiwellen erkennen können“, erklärte der Assistenzprofessor für Geophysik, Zhongwen Zhan.

Kürzlich führten Zhan und das Team eine weitere Studie durch, bei der dieses Mal nur ein 100 km langer Kabelabschnitt verwendet wurde, um die Mechanismen hinter einem bestimmten Erdbeben im Jahr 2021 zu verstehen. Sie legten nahe, dass der Zugang zu mehr Kabeln ein besseres Verständnis der Erdbebenphysik und letztendlich bessere Erdbeben ermöglichen würde Frühwarnsysteme.

Zhan sagt: „Wenn wir eine breitere Abdeckung zur Messung seismischer Aktivität erreichen können, können wir die Art und Weise, wie wir Erdbeben untersuchen, revolutionieren und mehr Vorwarnungen bereitstellen“, sagt Zhan. „Obwohl wir Erdbeben nicht vorhersagen können, wird die verteilte akustische Erfassung zu einem besseren Verständnis der Details führen, die dem Aufbrechen der Erde zugrunde liegen.“

In der neuen Studie untersuchte das Team die Lichtsignaturen, die während des Erdbebens der Stärke 6 im Antelope Valley im Jahr 2021 durch einen Glasfaserkabelabschnitt in der östlichen Sierra Nevada wanderten. Der Kabelabschnitt entsprach 10.000 Seismometern und es konnte festgestellt werden, dass die M6 aus einer Folge von vier kleineren Brüchen bestand. Diese sogenannten „Sub-Ereignisse“, wie Mini-Erdbeben, konnten von einem herkömmlichen seismischen Netzwerk nicht erkannt werden.

In Zusammenarbeit mit dem Labor von Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., Professorin für Maschinenbau und Geophysik, konnte das Team auf der Grundlage der gemessenen seismischen Aktivität ein genaues Modell des M6-Erdbebens erstellen. Das Modell zeigte den Zeitpunkt der vier Unterereignisse und lokalisierte ihre genauen Standorte in der Verwerfungsregion.

„Die Verwendung von Glasfaserkabeln als Seismometerserie offenbart Aspekte der Erdbebenphysik, die seit langem vermutet, aber schwer abzubilden sind“, sagt Zhan. „Stellen Sie sich als Analogie Ihr alltägliches Hinterhofteleskop vor. Sie können Jupiter sehen, aber wahrscheinlich nicht seine Monde oder andere Details. Mit einem wirklich leistungsstarken Teleskop können Sie die feinen Details der Planeten- und Mondoberflächen sehen. Unsere Technologie.“ ist wie ein leistungsstarkes Teleskop für Erdbeben.“

Arbeiten wie die von NPL und Caltech mit Unterseekabeln haben auch den Weg für die Verwendung anderer Glasfasernetze zur Vorhersage von Naturkatastrophen geebnet. Zurück zu Mazur und seinem Team bei Nokia Bell Labs: Ihre jüngste Studie befasst sich mit der Verwendung von Transceivern in optischen Kommunikationsnetzen. „Der Grund dafür und warum wir es interessant finden, ist ganz einfach: Wenn wir uns den kohärenten Empfänger mit Hochgeschwindigkeits-Digitalverarbeitung ansehen, handelt es sich im Grunde um ein Vollfeld-Detektorsystem. Wir haben also bereits Zugriff auf ein Polarisations- und Phaseninterferometer … eine typische Technik, die bei der Fasersensorik verwendet wird“, erklärte er.

Das Team hat in einem Feldversuch gezeigt, dass ein kohärenter Echtzeit-Transceiver-Prototyp für die kontinuierliche Erfassung über ein 524 km langes Live-Netzwerk mit Luftfasern verwendet werden kann, die um Hochspannungskabel gewickelt sind, die an Außenmasten hängen.

Der Feldversuch mit einem Luftkabel zwischen den schwedischen Städten Göteborg und Karlstad zeigte, dass kohärente Transceiver potenziell für die Umwelt- und Netzwerkmessung mithilfe vorhandener Luftfasern eingesetzt werden könnten. Die Forscher überwachten 70 Stunden lang kontinuierlich eine 524 km lange Luftfaserkabellänge in Schweden mithilfe von Flugzeitmessungen. Sie korrelierten die Sensormessungen mit den Temperaturen, die von Stationen entlang der Netzwerkverbindung erfasst wurden.

Die Analyse ergab starke Schwingungen, die durch Polarisationsänderungen über 50 Hz verursacht wurden, wahrscheinlich durch den durch die gesponnene Faser verursachten Faraday-Effekt. Sie demonstrierten die Polarisationserkennung verschiedener Windbedingungen, indem sie den niederfrequenten Anteil dieser Polarisationsänderungen herausfilterten. Die größte Herausforderung bei der Nutzung vorhandener Infrastruktur besteht darin, dass alles, was auf der Sensor-Line-Card integriert ist, mit ASIC-Architekturen kompatibel sein muss, was sich erheblich von der Offline-Python/Matlab-Implementierung unterscheidet, die im Bereich der Fasersensorik möglich ist.

Der aktuelle Transceiver-Prototyp sei ein verkleinertes System, sagt Mazur, das es dem Team ermöglichte, die Algorithmen zu verstehen, die für die Fasererkennung verwendet werden können, die mit ASIC-Infrastrukturen kompatibel und kompatibel ist. Das Ergebnis ist, dass der aktuelle Transceiver nicht für höchste Leistung oder höchste Empfindlichkeit ausgelegt ist. Die Signal-Rausch-Verhältnisse sind viel geringer, und die effektive Anzahl an Bits, auf die sie Zugriff haben, „würde jeden im Bereich der Glasfasersensorik weit, weit weglaufen lassen“, sagte Mazur. „Wir versuchen nicht, dedizierte Sensoren zu schlagen, sondern eine ergänzende Technik zu entwickeln, die gut mit der Telekommunikation funktioniert“, fügte er hinzu. Das FPGA-basierte kohärente System verfügt über eine Taktrate der digitalen Signalverarbeitung (DSP) von 125 MHz, was in der gleichen Größenordnung wie ein ASIC-System liegt. Es verfügt über acht parallele Spuren und ist vollständig pilotbasiert, wobei alle DSP-Blöcke in jedem Taktzyklus aktualisiert werden.

Wie bereits gezeigt, konzentrierten sich Beispiele für die Glasfasermessung unter Verwendung vorhandener Netzwerke auf Unterseekabel, die günstigere Bedingungen bieten als der in diesem speziellen Versuch verwendete Luftstandort oberhalb der Baumgrenze. Mazur bemerkte: „Es ist eine sehr exponierte Umgebung, weshalb wir uns diesen Link ansehen wollten. Unterwassersysteme eignen sich hervorragend für die Sensorik. Es ist eine perfekte Umgebung, weil es so stabil ist. Das ist wahrscheinlich das genaue Gegenteil.“

Mazur wies jedoch darauf hin, dass der Einsatz von Transceivern für die Umweltsensorik vielversprechend sei, da sich die Frequenzbereiche für die Umweltsensorik typischerweise stark von den in Telekommunikationssystemen induzierten Frequenzbereichen unterscheiden, solange die Daten angemessen interpretiert werden können.

„Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche potenzieller Anwendungen und werden weiterhin Feldversuche über verschiedene Netzwerke in unterschiedlichen Umgebungen durchführen“, sagte Mazur. „Unser Ziel ist es, besser zu verstehen, wie dieser Sensor in zukünftigen Smart Cities eingesetzt werden kann, um die Widerstandsfähigkeit von Kommunikationssystemen und Infrastruktur zu verbessern und gleichzeitig ein besseres Verständnis der Umwelt um uns herum zu erlangen. Wir beschäftigen uns auch aktiv mit Algorithmen für Echtzeitanalysen und autonome Entscheidungsfindung auf der Grundlage von Transceiver-Erfassungsdaten, die Frühwarnanwendungen ermöglichen.“

Die Zusammenführung von Glasfasernetzen könnte nicht nur die Zuverlässigkeit und Abdeckung der Telekommunikationsbranche verbessern, sondern auch zu einem besseren Verständnis der Phänomene beitragen, die in weiten Teilen der Erdoberfläche auftreten. Es ist wahrscheinlich, dass das optische Telekommunikationsnetz in Zukunft eine noch größere Rolle in unserer Gesellschaft spielen wird als heute.