Unterwasserkommunikation und -strom mit Licht in neue Tiefen führen

Wissenschaftler haben große Fortschritte bei der Verwendung von Licht gemacht, um Daten im Freien zu übertragen und verschiedene Geräte aus der Ferne mit Strom zu versorgen – aber wie man diese Leistungen unter Wasser vollbringt, war etwas unklarer. In einer neuen Studie, die am 4. Mai in IEEE Transactions on Wireless Communications veröffentlicht wurde, haben Forscher jedoch einen neuen Weg identifiziert, um die Übertragung von Energie und Daten zu Geräten unter Wasser mithilfe von Licht zu verbessern.

Der Ozean und andere Gewässer sind voller Geheimnisse, die es noch zu entdecken gilt. Netzwerke von Unterwassersensoren werden zunehmend eingesetzt, umo Informationen sammeln. Derzeit ist der gebräuchlichste Ansatz für die Fernübertragung von Signalen unter Wasser die Verwendung von Schallwellen, die leicht weite Entfernungen durch die Wassertiefen zurücklegen. Ton kann jedoch nicht annähernd so viele Daten übertragen wie Licht.

„Die Kommunikation mit sichtbarem Licht kann Datenraten in mehreren Größenordnungen liefern, die die Fähigkeiten herkömmlicher akustischer Techniken übersteigen, und ist besonders geeignet für neue bandbreitenhungrige Unterwasseranwendungen“, erklärt Murat Uysal, Professor am Department of Electrical and Electronics Engineering an der Ozyegin University , in der Türkei.

Er weist auch darauf hin, dass die Stromversorgung von Sensoren und anderen Geräten unter Wasser eine weitere Herausforderung darstellt, da der Austausch von Batterien in Meeresumgebungen besonders schwierig sein kann. Praktischerweise könnte jedes Gerät, das ein Solarpanel verwendet, um Daten über Lichtsignale zu empfangen, auch gleichzeitig zur Energiegewinnung verwendet werden. In einem solchen Szenario könnte ein autonomes Unterwasserfahrzeug, das an einem Sensor vorbeifährt, einen Laser verwenden, um sowohl Daten zu sammeln als auch Energie an das Gerät zu übertragen.

Derzeit ist die effektivste Methode dafür ein Ansatz, bei dem die aus dem Lichtsignal gewonnene Leistung in Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) aufgeteilt wird, wobei das Wechselstromsignal zur Übertragung von Daten und das Gleichstromsignal verwendet wird als Stromquelle verwendet wird. Dies wird als AC-DC-Trennungsverfahren (ADS) bezeichnet.

Einige Wissenschaftler, darunter das Team von Uysal, haben jedoch versucht, auf einem anderen Ansatz aufzubauen, der strategisch zwischen Energy Harvesting und Datenübertragung nach Bedarf umschaltet, um die Leistung zu optimieren. Dieser Ansatz wird als simultane Lichtwelleninformations- und Leistungsübertragung (SLIPT) bezeichnet. Doch trotz ihrer Raffinesse hat die SLIPT-Technik die traditionelle ADS-Methode in Bezug auf die Effizienz nicht übertroffen – bis jetzt.

In ihrer Studie entwickelten Uysal und seine Kollegen einen SLIPT-Optimierungsalgorithmus, mit dem Energie effizienter aus dem Lichtspektrum extrahiert werden kann. Uysal merkt an, dass dies ihrer SLIPT-Methode ermöglicht, die traditionelle ADS-Methode „deutlich zu übertreffen“.

„Die Machbarkeit der drahtlosen Stromversorgung wurde bereits in Unterwasserumgebungen erfolgreich demonstriert [using light], trotz der Tatsache, dass Leitfähigkeit, Temperatur, Druck, Wasserströmungen und Biofouling-Phänomen des Meerwassers zusätzliche Herausforderungen darstellen“, sagt Uysal.

Diese Beispiele waren bisher weitgehend experimentell: Für die reale Implementierung von SLIPT seien die Kommerzialisierung von Unterwassergeräten erforderlich, die drahtlos Energie gewinnen können, sowie Fortschritte bei Unterwassermodems, die die Kommunikation mit sichtbarem Licht unterstützen können. In der Zwischenzeit will sein Team nach Wegen suchen, die Flugbahn von autonomen Unterwasserfahrzeugen zu optimieren, die eines Tages weite Teile der Weltmeere durchqueren könnten, gleichzeitig Daten von den futuristischen Sensoren sammeln und sie mit Licht aus der Ferne betreiben.

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