Novinky

Mobilní telefony budou využívat gravitační vlny

Upozorňujeme, že tento článek byl vydán 1. dubna.

Zamýšleli jste se někdy nad tím proč v Praze není mobilní signál v tunelech metra nebo proč musíte platit drahé roamingové poplatky za telefonát s babičkou z Argentiny?

I přes neustálý vývoj má GSM technologie šíření mobilního signálu své fyzikální limity. Není zkrátka jednoduché, a tím pádem ani levné, transportovat mobilní signál na dlouhé vzdálenosti okolo zeměkoule. Ještě horší je to v podzemí, protože v zemi se signál nešíří skoro vůbec. Ani v již zmíněných tunelech to není s mobilním pokrytím snadné, jak před časem v rozhovoru pro portál SvetAndroida.cz objasnil vedoucí odboru Řízení provozu pražského Dopravního podniku Zdeňek Rampa: vlaková souprava svým objemem tunel doslova „ucpe" a signál GSM se pak nemá kudy šířit.

Komunikace na bázi gravitačních vln

V laboratořích dvou amerických technologických institutů, MIT a Caltech, však vzniká projekt, který brzy přinese do mobilní komunikace revoluci v pravdě globálního rozsahu. Vědci z obou institucí totiž pracují na možnosti přenosu mobilního signálu pomocí gravitačních vln.

MIT a Caltech již od roku 1995 vyvíjejí technologii detekce gravitačních vln a v amerických státech Washington a Lousiana budují a postupně vylepšují dva detektory kosmických gravitačních vln s názvem LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Již v únoru přišli zástupci vědeckého konsorcia LIGO se senzačním oznámením, že si jim pomocí jejich zařízení podařilo zaznamenat průchod gravitačních vln způsobených srážkou dvou černých děr vzdálených 1,3 miliardy světelných let (více o zachycení gravitačních vln např. zde). Na tiskové konferenci, kterou svolali na uplynulou středu, pak oznámili další převratnou zprávu, sice že kromě detektoru kosmických gravitačních vln pracují i na aplikaci této technologie na mobilní komunikaci. A rovnou předvedli i prototyp dvou mobilních telefonů vybavených přijímačem a vysílačem gravitačních vln.

Jak to funguje

Na první pohled se může zdát obtížné vměstnat obrovský přístroj, jakým detektor LIGO se svými čtyři kilometry dlouhými rameny je, do kompaktních rozměrů mobilního telefonu. Ve skutečnosti to však tak složité není a je to podobné jako s fotoaparátem v mobilu. Abyste si mobilem udělali pěknou fotku, pokud to nemá být zrovna obrázek vzdálené galaxie, nepotřebujete čočku o průměru dvacet či třicet metrů. Vyfotit si vaši kočku za denního světla dnes hravě zvládnete s čočkou o průměru méně než milimetr. Astronomické detektory gravitačních vln mají dlouhá ramena, aby byly schopné zachytit změny gravitačního pole vytvořené objekty vzdálenými miliardy světelných let. S délkou ramen je spojena i citlivost pouze na určitý rozsah vlnových délek, který je délce ramen úměrný. Pro mobilní přenos hlasu a dat ovšem potřebujeme vlnové délky mnohem kratší, abychom vyhověli požadavkům na kapacitu přenosu. Budeme-li se s frekvencemi pohybovat v pro mobilní technologie tradičních pásmech nosných frekvencí řádu stovek megahertzů, dostáváme se s rozměry ramen mobilního gravitačního detektoru na úroveň milimetrů, což je dostatečná miniaturizace pro uložení v pouzdře přístroje. Vysílat a přijímat signály navíc potřebujeme pouze na vzdálenost maximálně 13 tisíc kilometrů, což je průměr zeměkoule, nikoli na miliardy světelných let.

Mobilní telefon samozřejmě potřebuje gravitační vlny i vysílat, aby byl umožněn obousměrný přenos. K tomu je vybaven obdobou vibračního vyzvánění. Speciální motorek zkonstruovaný tak, aby se točil rychlostí až sto milionů otáček za vteřinu, nese na konci své hřídele asymetricky umístěné závaží, které může na bázi piezoelektrického jevu měnit svůj tvar, a tím modulovat amplitudu telefonem vytvářených gravitačních vln.

Na co se připravit

Jaká revoluce nás tedy v nejbližší budoucnosti čeká? Zapomeňte na roaming, zapomeňte na vysílače, zapomeňte na problémy se slabým signálem. Gravitační vlny prochází jakýmkoli prostředím včetně zemské kůry, pláště a jádra zcela bez útlumu a šíří se naprosto stejnoměrně do všech směrů rychlostí světla. Signál z vašeho mobilního telefonu tak zastihne volaného účastníka úplně kdekoli na zemském povrchu, nad ním a nebo pod ním, na souši či na moři. Telefonovat nebude žádný problém ani v letadlech, neboť gravitační vlny klasickou elektroniku žádným způsobem neruší. Telefony budou komunikovat mezi sebou navzájem, čímž odpadne nutnost budovat sítě základnových stanic a stožáry hyzdit krajinu. Potřeba bude celosvětově jen několik centrálních stanic, které budou zajišťovat převod "gravitační komunikace" na klasickou elektromagnetickou, aby měly mobily spojení se světem počítačů.

Závěr

Projekt gravitační mobilní komunikace navazuje na historickou tradici transferu původně astronomických technologií do aplikované sféry. Při každodenním brouzdání internetem v mobilu si už málo uvědomujeme, že dnešní způsoby mobilní elektronické komunikace vděčí za svůj úspěch z velké části výzkumu na poli radiové astronomie, který začal před několika desítkami let a během nějž se vyvinuly techniky přenosu, komprese a dekódování slabých rádiových signálů, které položily základy dnešní bezdrátové technologie wifi sítí a mobilních telefonů. Nová technologie přináší do této oblasti další posun a slibuje zatím netušené možnosti nejen v mobilním, ale i v počítačovém světě.

Podle manažera celého projektu se systém spojení mobilních telefonů pomocí gravitačních vln během příštího roku dostane do schvalovacího procesu Mezinárodní komunikační unie a amerického regulátora pro bezdrátovou komunikaci CTIA. Souběžné s tím bude probíhat pilotní a testovací provoz v rámci Spojených států a pokud vše půjde bez komplikací v obvyklých časových lhůtách schvalovacích procesů, můžeme se na první komerčně dostupné gravitační telefony těšit do pěti let. Souběžně s tím se bude pracovat na implementaci technologie i v počítačové sféře, zejména na možnostech přenosu dat přes "gravitační internet". Těšme se.

Michal Bursa
skupina relativistické astrofyziky

Uvedení na pravou míru

Bylo by to krásné, ale využití gravitačních vln ke komunikačním účelům se v dohledné době zcela jistě nedočkáme, jestli vůbec. Ačkoli v principu je popsaná myšlenka založena na reálném základě a není v zásadě odlišná od pokusu, kterým na konci 19. století Heinrich Hertz předvedl, jak vysílat a přijímat rádiové vlny, v praxi narážíme u komunikace na bázi gravitačních vln na jejich extrémně slabé účinky.

Gravitační vlna zachycená v září 2015 detektorem LIGO byla podle výpočtů vytvořena dvojicí vzájemně těsně obíhajících černých děr o souhrné hmotnosti 65 hmot Slunce, které okolo sebe v konečné fázi těsně před splynutím oběhly více než 250-krát za vteřinu. Přesně to jsou ideální podmínky pro vytvoření silné gravitační vlny - pohyb extrémně kompaktních objektů, které se vůči sobě pohybují extrémními rychlostmi blízkými rychlosti světla. Pro úplnost dodejme, že síla gravitatční vlny je úměrná šesté (!) mocnině rychlosti pohybu zdrojových těles a druhé mocnině jejich kompaktnosti (poměru velikosti horizontu událostí objektu dané hmotnosti ku jeho skutečné velikosti).

Přestože i pohyb malého závaží umístěného na konci hřídele malého vibračního motorku v mobilním telefonu vytváří gravitační vlny, ty jsou o mnoho řádů slabší, než vlny způsobené popsanou srážkou černých děr, a nezachytitelné ani detektorem LIGO natož jeho zmenšeninou uloženou v telefonu. Abychom získali měřitelnou gravitační vlnu, motorek by se za prvé musel otáčet rychlostí, jejíž odstředivá síla by roztrhala jakýkoli známý materiál, a za druhé by na jeho konci musela být hmota o hustotě nejméně miliardkrát větší, než je běžná hustota kovu.

K dalšímu čtení doporučujeme např. článek Your Questions About Gravitational Waves, Answered.