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

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, खदानों और सुरंगों के अंधेरे सन्नाटे में, इंजीनियरों के सामने लंबे समय से एक गंभीर चुनौती रही है: जमीन के नीचे से दुनिया के ऊपर तक एक स्पष्ट संदेश कैसे भेजा जाए। पारंपरिक रेडियो तरंगें, जो हमारे सेल फोन कॉल और वाई-फाई संकेतों को ले जाती हैं, मिट्टी और चट्टानों के माध्यम से गुजरने की कोशिश करते समय अत्यधिक संघर्ष करती हैं। पृथ्वी एक मोटे स्पंज की तरह काम करती है, जो इन उच्च-आवृत्ति वाले संकेतों को लगभग तुरंत सोख लेती है, जिससे संचार केवल कुछ मीटर नीचे तक ही सीमित रह जाता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने चुंबकीय क्षेत्रों (मैग्नेटिक फील्ड्स) की ओर स्विच करके इसे हल करने की कोशिश की है, क्योंकि वे जमीन के माध्यम से बेहतर तरीके से प्रवेश कर सकते हैं। हालाँकि, चुंबकीय क्षेत्र एक ऐसी फुसफुसाहट की तरह होते हैं जो जल्दी फीकी पड़ जाती है; वे जमीन के नीचे कम दूरी के लिए तो उत्कृष्ट हैं, लेकिन सतह पर पहुँचने के बाद उनमें लंबी दूरी तक जाने की शक्ति नहीं होती है। यह एक कठिन अंतराल छोड़ देता है: एक ऐसा सिस्टम जो जमीन में गहराई तक बात तो कर सकता है लेकिन सतह तक चिल्ला नहीं सकता, या एक ऐसा सिस्टम जो सतह तक चिल्ला तो सकता है लेकिन जमीन में गहराई तक नहीं पहुँच सकता।

हुआझोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और साउथ-सेंट्रल मिन्ज़ू यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अंतर को पाटने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक ऐसा संचार प्रणाली विकसित किया है जो इन दो दुनियाओं के बीच एक अनुवादक (ट्रांसलेटर) के रूप में कार्य करता है। किसी एक प्रकार के सिग्नल से सब कुछ करने की कोशिश करने के बजाय, उनका सिस्टम जमीन के नीचे दबे एक चुंबकीय ट्रांसमीटर और सतह पर प्रतीक्षा कर रहे एक इलेक्ट्रिक रिसीवर का उपयोग करता है। भूमिगत ट्रांसमीटर एक चुंबकीय क्षेत्र भेजता है जो बहुत कम नुकसान के साथ मिट्टी के माध्यम से आसानी से यात्रा करता है। जैसे ही यह सिग्नल पृथ्वी और हवा के बीच की सीमा पर पहुँचता है, यह स्वाभाविक रूप से रूपांतरित हो जाता है, जिससे एक विकिरण घटक (रेडिएटिंग कंपोनेंट) उत्पन्न होता है जो फिर हवा में लंबी दूरी तय कर सकता है ताकि ऊपर स्थित रिसीवर द्वारा पकड़ा जा सके। यह हाइब्रिड दृष्टिकोण, जिसे शोधकर्ता 'मैग्नेटिक-ट्रांसमिटर-टू-इलेक्ट्रिक-रिसीवर सिस्टम' कहते हैं, गहरे भूमिगत सेंसरों को महंगे उपकरणों के घने नेटवर्क की आवश्यकता के बिना सतह से जोड़े रखने का वादा करता है।

इस नए अध्ययन का मुख्य केंद्र केवल यह सिद्ध करना नहीं था कि विचार काम करता है, बल्कि यह पता लगाना भी था कि इसका सबसे अच्छा संस्करण कैसे बनाया जाए। शोधकर्ता जानते थे कि ऐसे सिस्टम का प्रदर्शन इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि भूमिगत एंटीना कैसे बनाया गया है और वह किस आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) का उपयोग करता है। यदि एंटीना बहुत छोटा है या फ्रीक्वेंसी गलत है, तो सिग्नल जमीन में खो सकता है या हवा में प्रभावी ढंग से प्रसारित होने में विफल हो सकता है। टीम ने विभिन्न प्रकार की मिट्टी में अलग-अलग एंटीना आकार, तार के लूपों की संख्या और ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी के संयोजन कैसे प्रदर्शन करेंगे, इसका अनुकरण (सिमुलेशन) करने के लिए एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाया। उन्होंने इस समस्या को एक संतुलन बनाने के कार्य के रूप में देखा: एक आदर्श कॉन्फ़िगरेशन खोजना जो उपकरण की भौतिक सीमाओं और डेटा की गति की आवश्यकता का सम्मान करते हुए, उस सतह क्षेत्र को अधिकतम करे जहाँ एक विश्वसनीय सिग्नल प्राप्त किया जा सके।

अपने सिमुलेशन के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पाया कि हर स्थिति के लिए कोई एक "परफेक्ट" सेटिंग नहीं है जो काम कर सके। सबसे अच्छा कॉन्फ़िगरेशन वातावरण के आधार पर बदल जाता है। उदाहरण के लिए, रेतीली मिट्टी में, जो कम चालकता वाली होती है और संकेतों को दूर तक जाने देती है, सिस्टम गीली, चिकनी मिट्टी (क्ले-हैवी सॉइल) की तुलना में सतह पर बहुत बड़े क्षेत्र में एक विश्वसनीय कनेक्शन प्राप्त कर सकता है। उन्होंने पाया कि डेटा भेजने के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ सुनिश्चित करने के लिए भूमिगत एंटीना में लूपों की संख्या को आम तौर पर संभव सीमा के निचले स्तर पर रखा जाना चाहिए, जबकि एंटीना का आकार और उपयोग की जाने वाली फ्रीक्वेंसी को विशिष्ट मिट्टी के प्रकार और एंटीना कितनी गहराई में दबा है, इसके आधार पर समायोजित किया जाना चाहिए। कई मामलों में, उन्होंने निर्धारित किया कि एक बड़ा एंटीना रेडियस और लो-फ्रीक्वेंसी रेंज के भीतर उच्च ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी सबसे अच्छे परिणाम देती है, बशर्ते मिट्टी की स्थितियाँ इसकी अनुमति दें।

यह सिद्ध करने के लिए कि उनका सैद्धांतिक मॉडल केवल एक कंप्यूटर अभ्यास नहीं था, टीम अपने सिस्टम को एक वास्तविक भूमिगत खदान में ले गई। उन्होंने एक विशाल चट्टानी स्तंभ का उपयोग करके एक बड़ा प्रयोग किया, जो लगभग 10 मीटर चौड़ा है, ताकि ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच के सीधे पथ को बाधित किया जा सके, जो एक वास्तविक खदान की कठिन स्थितियों का अनुकरण करता है जहाँ संकेतों को चट्टान और बाधाओं के चारों ओर से गुजरना पड़ता है। उन्होंने स्तंभ के एक तरफ ट्रांसमीटर को दफनाया और दूसरी तरफ रिसीवर रखा, जिससे सिग्नल को लगभग 15 मीटर चट्टान और अन्य 20 मीटर हवा के माध्यम से यात्रा करनी पड़ी। सिस्टम लगभग 2 मिलियन साइकिल प्रति सेकंड की फ्रीक्वेंसी पर संचालित हुआ, जिसमें डेटा भेजने के लिए एक विशिष्ट प्रकार के सिग्नल मॉड्यूलेशन का उपयोग किया गया।

क्षेत्र परीक्षण के परिणाम सफल रहे। सिस्टम भूमिगत ट्रांसमीटर से सतह के रिसीवर तक एक पूर्ण डिजिटल छवि को सफलतापूर्वक प्रसारित करने में सक्षम रहा, जो बाधित चट्टानी पथ से होकर गुजरी। डेटा बहुत उच्च सटीकता के साथ पहुँचा, जिसमें सूचना के पैकेट्स का केवल एक बहुत छोटा हिस्सा ही खोया या दूषित हुआ। इसने प्रदर्शित किया कि मैग्नेटिक-टू-इलेक्ट्रिक लिंक वास्तव में वास्तविक दुनिया के डेटा वितरण का समर्थन कर सकता है, यहाँ तक कि एक कठिन, बाधित वातावरण में भी। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि विशिष्ट भूमिगत स्थितियों के साथ ट्रांसमीटर के डिज़ाइन और ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, एक विश्वसनीय संचार लिंक बनाना संभव है जो गहरे भूमिगत क्षेत्र तक विस्तार करता है और साथ ही सतह पर एक विस्तृत, स्थिर कवरेज क्षेत्र बनाए रखता है। यह सतह गेटवे के जटिल, उच्च-घनत्व वाले नेटवर्क की आवश्यकता के बिना, भूमिगत बुनियादी ढांचे की निगरानी करने, खदान सुरक्षा सुनिश्चित करने और सबटेरेनियन इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) को जोड़ने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।