Провода под водой: история подводного кабелестроения

Фото: Negro Elkha/ Adobe Stock, csis.org

Два континента на одном проводе

Если мы перенесемся в не такой уж и далекий 1988 год, то оптоволокна между Старым и Новым Светом не будет. В вашем распоряжении будут электрические телефонный и телеграфный кабеля. В целом телефонный разговор тоже может состояться. Но на его организацию уйдет уже значительно больше времени, хотя бы из-за того, что надо будет добраться до местной коммутационной станции, где вас смогут соединить с другой частью планеты.

Но и телефонный кабель из 1988 года лежит на дне Атлантического океана не так уж долго. Если отмотать еще немного назад, в 1956 год, то его не будет. Общаться придется телеграммами. А это уже не мгновенная связь, потому что ваше сообщение должно пройти через несколько узлов.

Мы не будем останавливать наше путешествие во времени на полдороге. Двигаясь дальше, мы оказываемся в середине XIX века, когда дно океана украшали только затонувшие корабли. Именно тогда родилась идея соединить два континента одним проводом.

В одной из частей фильма «Назад в будущее» доктор Эммет Браун переместился в 1885 год. В своей кузнице он соорудил машину для изготовления льда. В отличие от современных машин она занимала практически все свободное место. К этому времени первый надежный рабочий кабель уже лежал на дне океана с 1866 года.

Ирония заключается в том, что Эммет Браун с его запасами знаний и навыков и с учетом технологий конца XIX века смог соорудить машину из XX века, но не такую эффективную и компактную, в то время как технологии прокладки кабеля с того времени не сильно изменились. Если случится обратное путешествие во времени, и инженер, ответственный за укладку кабеля в 1866 году, окажется в нашей эпохе, где ему покажут современный кабелеукладчик, то он сможет разобраться в этом за считанные дни.

Поэтому, вооружившись нашими знаниями из XXI века, прихватив Эммета «Дока» Брауна c Дикого Запада, отправляемся в 1850-й, когда мысли о кабеле только-только посещали изобретателей и бизнесменов. К тому времени телеграф уже доказал свою эффективность во всех областях жизни человека. Одной из причин успеха наполеоновских завоеваний как раз он и был. Правда, тогда он был оптический, а не электрический. Электрический полностью вытеснит его через несколько лет, но мы-то с вами знаем, что оптическая передача данных еще вернется.

Итак, мы оказались где-то в период между окончанием наполеоновских войн и началом Гражданской войны в США. К сожалению, наш друг-ученый очутился у себя на родине, в США, а мы – в Великобритании. Превратности путешествия сквозь время и пространство – никогда точно не угадаешь, где окажешься в конце пути. Мы хотим выяснить, как обстоят дела у Дока, потому что он работает над ремонтом машины времени. К сожалению, отправлять и получать сообщения морем очень долго. Путь из Великобритании до США и обратно в то время занимал около двух недель. Целый месяц для обмена приветствиями – слишком много. Нужно что-то принципиально иное.

Кабель на дне: содержимое и оболочка

Например, настоящий телеграф под водой. Правда, чтобы сделать это, его сухопутную версию придется сильно усовершенствовать. Первым делом нам необходим совершенный изолятор. В то время уже было кое-что известно об электричестве – скажем, что лучшим проводником является медь. В первом трансатлантическом кабеле было шесть медных жил, каждая из которых весила всего 26 граммов на метр. Впрочем, это значит, что всего меди на километр кабеля было 178 килограммов!

Но в то время об электричестве знали кое-что еще: например, что открытые провода в воде вряд ли будут работать. Мы могли бы использовать существующие технологии изготовления резины, но она в ту пору была несовершенна – затвердевала при низких температурах и размягчалась при высоких, а на дне океана точно не мягкий климат.

К счастью для нас, каучуковая резина была не единственной: к тому времени активно стали использовать гуттаперчу, растительную смолу с общей формулой (С₅Н₈)_n. Именно она как изолятор нам и пригодится. Гуттаперча при правильной обработке обладала всеми необходимыми изолирующими свойствами, не меняла своего состояния при перепадах температур и была достаточно гибкой, чтобы сворачиваться в рулоны. Кабель изолировали три ее слоя, весящие по 64 кг на километр длины.

Первый по-настоящему рабочий кабель был проложен в 1866 году Сайрусом Филдом, американским предпринимателем, причем большую часть денег в проект вложили британцы.

Изготовление атлантического подводного кабеля, провод покрывают гуттаперчей. atlantic-cable.com

Однако сама по себе гуттаперча довольно мягкая, а в море полно зубастых созданий: ей нужна защита. Поэтому ее покрывали просмоленной пенькой, а затем – «рубашкой» из 18 прядей, каждая из которых состояла из семи свитых вместе железных нитей. По сути, получалась тросовая оболочка, перекусить которую, как тогда думали, не получится ни у кого. Общий вес итогового кабеля – 550 кг на километр, и основная часть этого веса – железная «рубашка».

При работе через него подавался ток: короткая «подача» соответствовала точке, длинная – тире, а дальше сигнал раскодировали по азбуке Морзе.

Что ж, отлично, первый шаг сделан – у нас есть кабель, который может лежать на дне чего угодно, и по нему можно передавать сигнал,. Теперь нам надо очень много кабеля и маршрут, по которому мы будем его тащить.

Изготовление атлантического подводного кабеля, провод покрывают гуттаперчей. atlantic-cable.com

Моряки сматывают трансатлантический телеграфный кабель на борту «Агамемнона». Иллюстрация: Hulton Archive/ Getty Images, spectrum.ieee.org

К тому же было бы неплохо иметь надежное универсальное устройство, которое могло не только выдавать кабель, но и в случае обрыва или потери связи затащить кабель на борт. А лучше иметь два таких устройства – на корме и на носу, чтобы не разворачивать судно в случае необходимости и иметь возможность спаять кабель на палубе без лишних рисков. Кажется, придется немного увеличить бюджет, но оно того точно стоит. Мы-то знаем, что сокращение передачи сообщений с двух недель даже до пары часов в будущем даст такой толчок развитию экономик, что пара сотен тысяч фунтов стерлингов на прокладку кабеля будут казаться сущими копейками.

Кабелеукладочная машина на корме «Грейт Истерна». Иллюстрация: Robert Charles Dudley, metmuseum.org

Приведем только один пример такой экономии. По проложенному кабелю Англия передала приказ, отменяющий отправку 62-го полка из Новой Шотландии в Индию в связи с окончанием восстания сипаев. Только это одно сообщение сэкономило Англии по меньшей мере 50 000 фунтов, что было равно 7-й части стоимости кабеля.

Во время первой прокладки скорость судна отличалась от скорости вытравливания кабеля: 4 узла у судна против 6 узлов у кабеля. Эту проблему решили, затормозив выдачу с помощью колодок, но сделали это слишком резко, и кабель оборвался.

Инженеры пересмотрели конструкцию вытравливающего механизма и сделали модификацию, при которой тормоз ослабевал, если натяжение становилось слишком сильным. Получилась своего рода первая ABS (антиблокировочная система) для кабеля.

Современный кабелеукладчик Фото: Lappino, maritimeoptima.com

Кабель на дне: проводимость

И вот, решив все проблемы при непосредственной укладке, мы можем наконец передать первое сообщение из США в Великобританию. Надеемся, что дела у нашего Дока идут хорошо! Тут уже вступают в действие не самые очевидные вещи. Например, в огромной толще воды скорость распространения сигналов в различных кусках нашего кабеля изменяется.

Почему это важно? Так как мы используем морзянку для передачи данных, то точки, короткие сигналы, идут быстрее и догоняют тире. Первые эксперименты с кабелем, в ходе которых передавали сообщения между Британией и Францией, очень ярко это продемонстрировали. Конечно, можно увеличить интервалы между сигналами, но это несколько замедляет передачу сообщений. А ведь провод у нас и так один, ему и так непросто передать все, что нужно.

И это не единственная проблема. Первый кабель прокладывался без повторителей сигнала, поэтому к концу своего пути с одного континента на другой сигнал постепенно затухал. От этого первые сообщения передавались с ошибками. Эту проблему стоит решить с помощью более чувствительной аппаратуры на приеме и репитерами, которые появятся уже позже, в XX веке.

Находясь в среде с высокой проводимостью, кабель меняет свои токопроводящие свойства, сигналы двигаются по нему с неодинаковой скоростью, зависящей от продолжительности сигнала, поэтому «точки» начинают двигаться быстрее и настигают последующие «тире».

Уильям Томсон, британский ученый-физик, обнаружил, что когда к одному концу прикладывается импульс («точка» или «тире»), то на другом конце он наблюдается не в виде мгновенного повышения напряжения, а в виде плавно поднимающейся волны, что сравнимо с прорывом дамбы, когда возможно догадаться о прорыве по подъему уровня воды в реке (небольшой предварительной волне, первоначальном импульсе) еще до прихода основной волны. Получается, что, регистрируя первоначальный импульс и используя для этого более чувствительное оборудование, можно не дожидаться прихода самого импульса, что позволит избежать лишних искажений и увеличит скорость передачи.

Однако другой участник предприятия решил использовать не более точное оборудование на приеме, а более мощное на передаче, увеличив напряжение в кабеле с 600 до 2000 В, – изоляция просто не выдержала, и менее чем через месяц после прокладки кабель замолчал. Это был первый удачный кабель 1858 года.

Назад в будущее: акулы и траулеры

Теперь мы можем поприветствовать Эммета Брауна и поинтересоваться ремонтом машины времени, потому что нас ждет путешествие назад в будущее, где кабели получат некоторые улучшения – но и неожиданные помехи. Акулы? Да, некоторые кабели были перекушены животными, но эти случаи единичны и скорее забавны, чем действительно угрожали жизни кабеля. Конкретно акулы повредили меньше 1 % из них. За весь XX век зафиксировано всего 39 случаев перерезания кабеля акулами.

ROV – подводный аппарат, используемый для обнаружения поврежденного кабеля, его обрезки и вывода на поверхность, чтобы высококвалифицированные специалисты могли произвести ремонт. wired.co.uk

А вот траулеры «взяли на себя» больше половины поврежденных подводных кабелей. Когда они забрасывают якорь или трал, то часто цепляют подводный кабель, что в большинстве случаев ведет к его обрыву. Причем первые кабеля для рыболовов были настолько незначительной помехой, что те даже не замечали обрыва и просто уплывали. Кабель XXI века просто так не сдастся. Он уже гораздо тяжелее, и судно, скорее всего, тоже получит сильные повреждения. К тому же расположение кабеля известно заранее, и его повреждение наказывается штрафом.

Специальная чугунная защита для подводного кабеля. farinia.com

Около 10 % повреждений кабелей связано с катаклизмами. Землетрясения, извержения вулканов могут выводить из строя целые группы кабелей, как, например, в 2006 году землетрясение в районе Тайваня вывело из строя сразу 8 кабелей, что привело к падению интернет-трафика более чем в два раза во всей Юго-Восточной Азии.

Оставшаяся часть повреждений всецело лежит на людях. Это умышленные диверсии, попытки нажиться на металле внутри кабеля, ошибки при прокладке кабеля.

Для обеспечения надежности кабеля его закапывают в грунт в прибрежной зоне, покрывают дополнительной стальной броней и всячески обозначают место залегания кабеля страшными сообщениями об ответственности за его повреждение. Чтобы сигнал передавался уверенно на протяжении всей длины, кабель оснащают повторителями сигнала. Например, первый телефонный межконтинентальной кабель был усеян репитерами каждые 69 км.

Сегодня протяженность интернет-кабелей на дне океанов – внушительный миллион километров. Самый высокопроизводительный кабель обладает пропускной способностью в 160 Тбит в секунду. Его длина составляет около 6600 км, и проложен он от Вирджинии, США, в Бильбао, Испания.

Вся планета вот уже сто лет опоясана сотнями кабелей. Технология за эти сто лет не претерпела каких-то революционных изменений, только эволюционные – кабели передают больше информации, они более надежны, и укладывают их быстрее, чем сто лет назад. Но по большому счету это так и остались те самые провода, которые мы видим вокруг себя в повседневной жизни. 99 % всего интернет-трафика приходится на подводные каналы связи, и лишь недостающий процент – на спутники.

Правда, стоит отметить, что первый спутник появился почти на сто лет позже первого кабеля. Поэтому фантастическое будущее, с мириадами спутников и зондов, которые передают картинки и смайлики с одного гаджета на другой, – это не утопия, а всего лишь вопрос времени. Когда-нибудь слово «облако» в информационных технологиях вновь станет относиться к тому, что движется над нашими головами. А пока – следите, чтобы акула не перегрызла кабель!