Cavo internet e sensore sismico: il “Curie” di Google

Curie è il primo cavo intercontinentale in fibra ottica installato da una società privata: dal Novembre 2019, esso fa parte della grande infrastruttura cloud di proprietà del colosso Google. La novità del 2020: il cavo internet in cui viaggiano 72 Tb di dati al secondo, sta diventando anche un sistema di rilevamento di terremoti e tsunami. Lo studio su questo potenziale utilizzo della fibra ottica, è stato pubblicato dai ricercatori di Google e del California Institute of Technology (Caltech): i cavi sottomarini in fibra ottica sono molto sensibili alle fluttuazioni di temperatura e pressione esercitate dalle onde. Da ciò, si dimostra che è possibile associare a certe variazioni dei segnali in rete un fenomeno geofisico, come l’attività sismica nei fondali oceanici o l’entità del moto ondoso.

Il cavo sottomarino è un canale che permette la trasmissione dei dati tra due sponde a grande distanza tra loro. Non è banale associare il fatto che il mezzo di trasporto delle informazioni, che sono di natura evidentemente astratta, sia in realtà un oggetto fisico: le notizie provenienti da ogni parte del globo, arrivano sui nostri dispositivi viaggiando all’interno di conduttori elettrici o ottici, alloggiati sul fondo marino dalle navi posacavi. Attualmente, una fitta rete di cavi sottomarini collega tutti i continenti, tranne l’Antartide che risulta collegato solo mediante satelliti.

La nave posacavi usata da Google è la Durable: lunga oltre 110 m, può trasportare circa 6.000 km di cavo alla volta per un peso complessivo di oltre 3.500 tonnellate.

Breve cenno sul funzionamento dei cavi internet:

Esistono due categorie di cavi sottomarini: quelli impiegati per il trasporto di energia e quelli destinati alle telecomunicazoni, come il cavo Curie. Alla base di tutti i sistemi di telecomunicazione, il principio è quello di convertire in segnali (ottici o elettrici) i dati inviati da un dispositivo. Questi dati sono le parole, le immagini, i video e gli altri oggetti virtuali generati dal mittente: si presentano, quindi, in un linguaggio che è comprensibile da parte del destinatario, ma incapace di “scorrere” all’interno dei cablaggi sottomarini. A tal proposito, il sistema di rete internet prevede l’utilizzo di strumenti elettronici in grado di realizzare il processo di traduzione dei dati: i trasduttori, infatti, convertono le informazioni inviate da un dispositivo in segnali di diversa natura, a seconda di quella compatibile col materiale di supporto al trasferimento.

1- Caso di segnale di tipo elettrico:

i cavi di trasmissione sono in rame, come quelli utilizzati dalla tecnologia ADSL. Il rame è un ottimo conduttore ma, quando si tratta di trasmissioni a lunga distanza, presenta degli svantaggi non trascurabili: la sua resistenza elettrica, cioè l’attitudine del conduttore ad opporre resistenza al passaggio della corrente, causa attenuazioni della potenza trasferita. E quindi del segnale. Le perdite di potenza aumentano all’aumentare della distanza da percorrere: nel caso di cavi lunghi chilometri, ciò comporta l’installazione di amplificatori all’interno del cavo, con conseguente ingrossamento del cablaggio. A ciò si aggiunge il costo della manutenzione dell’intero sistema: il rame è soggetto all’usura, alla deformazione e ai disturbi elettromagnetici.

Dal punto di vista degli utenti, lo svantaggio più rilevante è sicuramente il limite che la tecnologia ADSL presenta in termini di velocità di connessione: quella massima offerta dal cavo in rame è di 25 Mb/s in download e di 1Mb/s in upload.

2- Cavi per telecomunicazioni in fibra ottica:

allo stato attuale risulta essere la tecnologia più performante, non solo in termini di velocità di trasmissione dei dati, ma anche di prestazione del materiale. Il cavo internet in fibra ottica è costituito da sottilissimi filamenti in fibra di vetro o in polimeri plastici, protetti da leghe metalliche e da strati di guaina in gomma. Rispetto al rame, la fibra è più leggera, più flessibile, ed è estremamente duratura.

Grazie alle sue caratteristiche fisiche, è la tipologia di elezione per la connessione a lunga distanza: nei cavi sottomarini in fibra la dispersione e la fluttuazione dell’energia trasmessa è minima. L’interazione elettromagnetica con altri dispositivi è nulla, cosa che permette una maggiore libertà nella configurazione della rete internet globale. Come nel caso del rame, anche nei cavi in fibra bisogna introdurre degli amplificatori di segnale ottici. La distanza necessaria tra ogni strumento è, però, maggiore di quella richiesta nella rete con cavi in rame. Ciò si traduce in minori costi sia di manutenzione che di installazione.

Nei cavi in fibra, il segnale tradotto è di tipo ottico, cioè si presenta sotto forma di impulsi di luce. La fibra ottica funziona come una sorta di “specchio tubolare”: il filamento è composto da

• un core trasparente che trasmette la luce lungo il cavo, caratteristica del vetro purissimo ad alto contenuto di silicio
• un mantello (in vetro più opaco) che guida la luce trasmessa nel core, come uno specchio. In questo modo, i dati attraversano il cavo internet sotto forma di luce riflessa, che “rimbalza” tra core e mantello.

La struttura del cavo sottomarino in fibra ottica garantisce maggiore affidabilità, stabilità del segnale e velocità di trasferimento, rispetto al cavo in rame: la massima raggiunta è di 1 Gb/s.

Curie: il cavo internet sottomarino in fibra ottica

Il Curie è un cavo lungo 10.500 km ed è il primo cavo in fibra ottica a collegare direttamente il Cile con gli Stati Uniti. Esso si trova a circa 4-6 km di profondità sul suolo oceanico e possiede un diametro di circa 2 cm. Al suo interno contiene 4 fibre ottiche del diametro di pochi micrometri l’una. Oltre alla funzione principale di trasmettere dati a lunga distanza, si vuole assegnare a questo canale un ulteriore compito: rilevare e comunicare l’attività sismica sul fondo oceanico e i moti ondosi conseguenti, senza aggiungere alcuna modifica nell’impianto adibito allo scopo iniziale. In poche parole, il Curie è un cavo internet ma anche un sismografo.

Principio fisico del cavo in fibra ottica usato come sensore sismico:

Quando si verifica un terremoto, il cavo sottomarino posato sul fondo dell’oceano viene mosso, piegato o attorcigliato. Questi movimenti provocano cambiamenti di direzione degli impulsi luminosi che viaggiano all’interno delle fibre. Normalmente, tali variazioni vengono rilevate e corrette al fine di eliminare gli errori di trasmissione dei dati. L’obiettivo è mantenere costante la connessione internet. Durante alcune operazioni di ripristino, i ricercatori hanno ricavato un aspetto positivo da questi “errori di connessione”: grazie al fatto che i terremoti e la pressione delle onde oceaniche inducono una certa variazione nel cammino della luce nella fibra, si può sfruttare questa informazione e dimostrare che le distorsioni degli impulsi di luce assumono il ruolo di “sentinelle” di movimenti sismici rilevanti.

Considerata l’incredibile velocità dei segnali ottici, questa scoperta può permettere di prevedere, in poco tempo, l’arrivo di uno tsunami sulle coste esposte a tale rischio. E quindi di avvisare le popolazioni locali, spesso colte alla sprovvista.

Con questa strategia, il sistema Curie ha registrato, durante un monitoraggio di 9 mesi, circa 30 maremoti e 20 scosse sismiche. Uno di questi rilevamenti è stato il terremoto che ha colpito il Messico nel giugno 2020.