Reliable Underground-to-Aboveground Communications with Magnetic Transmitters and Electric Receivers

في أعماق ما تحت سطح الأرض، في الصمت المطبق للمناجم والأنفاق، واجه المهندسون تحديًا حرجًا لطالما أرق مضجعهم: كيف يمكن إرسال رسالة واضحة من تحت الأرض إلى العالم فوقها. إن موجات الراديو التقليدية، التي تحمل مكالمات هواتفنا المحمولة وإشارات الواي فاي، تعاني بشدة عند محاولة المرور عبر التربة والصخور؛ إذ تعمل الأرض كإسفنجة سميكة، تمتص هذه الإشارات عالية التردد فورًا تقريبًا، مما يحد من الاتصال لعدة أمتار فقط تحت الأرض. ولعقود من الزمن، حاول العلماء حل هذه المشكلة عبر الانتقال إلى المجالات المغناطيسية، التي يمكنها اختراق الأرض بشكل أفضل بكثير. ومع ذلك، فإن المجالات المغناطيسية تشبه الهمس الذي يتلاشى بسرعة؛ فهي ممتازة للمسافات القصيرة تحت الأرض، لكنها تفتقر إلى القوة اللازمة للسفر لمسافات بعيدة بمجرد وصولها إلى السطح. وهذا يترك فجوة صعبة: نظامًا يمكنه التحدث في أعماق الأرض ولكنه لا يستطيع الصراخ إلى السطح، أو نظامًا يمكنه الصراخ إلى السطح ولكنه لا يستطيع الوصول إلى أعماق الأرض.

اقترح فريق من الباحثين من جامعة هواتجونغ للعلوم والتكنولوجيا وجامعة ساوث سنترال مينزو طريقة جديدة لسد هذه الفجوة. فقد طوروا نظام اتصالات يعمل كمترجم بين هذين العالمين. فبدلًا من محاولة إجبار نوع واحد من الإشارات على القيام بكل شيء، يستخدم نظامهم مرسلًا مغناطيسيًا مدفونًا تحت الأرض ومستقبلًا كهربائيًا ينتظر على السطح. يرسل المرسل الموجود تحت الأرض مجالًا مغناطيسيًا ينتقل بسهء عبر التراب مع فقدان ضئيل جدًا. وعندما تصل هذه الإشارة إلى الحد الفاصل بين الأرض والهواء، تتحول طبيعيًا، مولدةً مكونًا إشعاعيًا يمكنه بعد ذلك السفر لمسافات طويلة عبر الهواء ليتم التقاطه بواسطة المستقبل في الأعلى. هذا النهج الهجين، الذي يسمه الباحثون بنظام "المرسل المغناطيسي إلى المستقبل الكهربائي"، يعد بإبقاء أجهزة الاستشعار الموجودة في أعماق الأرض متصلة بالسطح دون الحاجة إلى شبكة كثيفة من المعدات باهظة الثمن.

لم تكن جوهر هذه الدراسة الجديدة مجرد إثبات أن الفكرة تعمل، بل تحديد كيفية بناء أفضل نسخة ممكنة منها بدقة. أدرك الباحثون أن أداء مثل هذا النظام يعتمد بشكل كبير على كيفية بناء الهوائي الموجود تحت الأرض والتردد الذي يستخدمه. فإذا كان الهوائي صغيرًا جدًا أو كان التردد خاطئًا، فقد تضيع الإشارة في الأرض أو تفشل في الإشعاع بفعالية في الهواء. أنشأ الفريق نموذجًا رياضيًا مفصلاً لمحاكاة كيفية أداء تركيبات مختلفة من حجم الهوائي، وعدد حلقات الأسلاك، وتردد التشغيل في أنواع مختلفة من التربة. لقد تعاملوا مع المشكلة كعملية موازنة: البحث عن التكوين المثالي الذي يعظم المساحة على السطح حيث يمكن استقبال إشارة موثوقة، مع احترام القيود الفيزيائية للمعدات والحاجة إلى سرعة معينة لنقل البيانات.

ومن خلال عمليات المحاكاة، اكتشف الباحثون أنه لا يوجد إعداد واحد "مثالي" يصلح لكل المواقف. فالتكوين الأفضل يتغير اعتمادًا على البيئة. فعلى سبيل المثال، في التربة الرملية، وهي أقل توصيلًا وتسمح للإشارات بالسفر لمسافات أبعد، يمكن للنظام تحقيق اتصال موثوق عبر مساحة أكبر بكثير على السطح مقارنة بالتربة الطينية المبللة الغنية بالطين. ووجدوا أن عدد الحلقات في الهوائي الموجود تحت الأرض يجب أن يظل عمومًا عند الحد الأدنى من النطاق الممكن لضمان امتلاك النظام ما يكفي من عرض النطاق الترددي لإرسال البيانات، بينما يجب تعديل حجم الهوائي والتردد المستخدم بناءً على نوع التربة وعمق دفن الهوائي. وفي كثير من الحالات، حددوا أن نصف قطر الهوائي الأكبر والتردد التشغيلي الأعلى ضمن نطاق التردد المنخفض يحققان أفضل النتائج، بشرًا بشرط أن تسمح ظروف التربة بذلك.

ولإثبات أن نموذجهم النظري لم يكن مجرد تمرين حاسوبي، نقل الفريق نظامهم إلى منجم حقيقي تحت الأرض. فقد أقاموا تجربة ضخمة باستخدام عمود صخري كبير، يبلغ عرضه حوالي 10 أمتار، لحجب المسار المباشر بين المرسل والمستقبل، مما يحاكي الظروف الصعبة في منجم حقيقي حيث يجب أن تنتقل الإشارات عبر الصخور وحول العوائق. قاموا بدفن المرسل على أحد جانبي العمود ووضعوا المستقبل على الجانب الآخر، حيث كان على الإشارة أن تنتقل عبر حوالي 15 مترًا من الصخر وحوالي 20 مترًا آخر من الهواء. عمل النظام بتردد يبلغ حوالي مليوني دورة في الثانية، باستخدام نوع محدد من تعديل الإشارة لإرسال البيانات.

كانت نتائج هذا الاختبار الميداني ناجحة. فقد تمكن النظام من نقل صورة رقمية كاملة من المرسل الموجود تحت الأرض إلى مستقبل السطح، عابرًا مسار الصخر المعترض. وصلت البيانات بدقة عالية جدًا، مع فقدان أو تلف جزء ضئيل جدًا من حزم المعلومات. وقد أثبت هذا أن الرابط المغناطيسي-الكهربائي يمكنه بالفعل دعم تسليم البيانات في العالم الحقيقي، حتى في بيئة قاسية ومعترضة. وتخلص الدراسة إلى أنه من خلال ضبط تصميم المرسل وتردد التشغيل بعناية ليتناسب مع الظروف الموجودة تحت الأرض، يمكن إنشاء رابط اتصال موثوق يمتد إلى أعماق الأرض مع الحفاظ على منطقة تغطية واسعة ومستقرة على السطح. وهذا يوفر مسارًا عمليًا لمراقبة البنية التحتية تحت الأرض، وضمان سلامة المناجم، وربط "إنترنت الأشياء" تحت الأرض دون الحاجة إلى شبكات معقدة وعالية الكثافة من البوابات السطحية.